基于PLC的机器人关节伺服控制系统设计

基于PLC的机器人关节伺服控制系统设计

李国学1吴瑕2王伟3

（13科德数控股份有限公司辽宁大连1166002大连佳和科技有限公司辽宁大连116011）

摘要：近些年来，我国的科技水平不断的提高，基于PLC控制的工业机器人系统实现了良好的发展，其技术水平逐渐推进，工业机器人已经能够得到PLC技术的完美控制。本文以现有的工业机器人作为平台，对工业机器人的关节驱动进行政进，采用可控环流可逆调控制系统，应用了功能强大的西门子300可编程控制器作为主控核心，设计了一种新型的基于PLC的工业机器人控制系统，实现了对工业机器人关节的伺服控制。

关键词：PLC；机器人；伺服控制；电机

引言

工业机器人在工业生产中所占的比重，是衡量国家工业自动化水平的一个重要标志。工业机器人技术的出现和发展，使得传统工业的生产发生了翻天覆地的变化，也有利地推进了工业生产的发展。目前工业机器人的应用已渗透到各个领域。在工业和国防领域具有广泛应用的工业机器人，将诸多功能集中在一个机械手上，从而能够实现对环境感知、运动的控制、任务的执行和路径规划等功能，在某些工作环境危险的领域，工业机器人的有效利用可保证人类工作的安全。而选择合适的运动控制系统、导航系统和高精度的传感器以及方便的人机交互界面是工业机器人实现上述功能的基础。

1基于PLC控制的工业机器人系统发展情况概述

1.1工业机器人系统

第一台工业机器人来自于美国，上世纪60年代，第一台工业机器人被美国通用汽车公司研制出来，并投入到生产中，这标志着工业机器人已经走上了历史的舞台，代表着第一代编码控制器控制的工业机器人已经正式投入到工业生产中。[1]在此之后的20年间，欧美等发达国家也将工业机器人投入到工业生产中，利用工业机器人机电一体化的强化生产功能系统，使得制造业取得了巨大的进步，并且明显的提高了劳动质量以及效率。

1.2基于PLC控制的工业机器人系统

现如今的工业自动化领域中，工业机器人技术、PLC控制技术和CAD技术等已经成为极为关键和重要的技术，这些技术的发展与完善，使得现代化的工业自动化领域发展有了科学的依据和参考，起到极为重要的帮助作用。随着近些年来科学技术的发展与推进，基于PLC控制的工业机器人系统也进入到了研究的关键性时期，基于PLC控制的工业机器人系统在工业生产中的应用也已经成为了现实。在工业领域的生产中，基于PLC控制的工业机器人系统能够发挥出极为重要的作用，并且其在工业领域生产中的应用效果和质量已经成为工业自动化领域发展情况的衡量标准。

1.3基于PLC控制的工业机器人系统的未来发展

当前，新型的基于PLC控制的工业机器人系统有很高的智能化特点，对于其未来的发展研究可以集中在一下几个方面。首先实际操作基于PLC控制的工业机器人系统时，可以通过PLC控制系统对基于PLC控制的工业机器人系统进行模拟和仿真设计，从而能够更好的处理工业机器人系统操作，使得工业机器人系统操作的整体性能得到提升。其次，要使PLC控制技术实现良好的发展与优化，就需要进一步强化PLC控制系统的控制能力，使得工业机器人的控制系统变得更为复杂，能够提升基于PLC控制的工业机器人系统的性能，达到之前的3到5倍效果。

图1机器人关节伺服控制系统结构示意图

2工业机器人伺服系统

本文所设计的工业机器人的关节是通过伺服电机来进行驱动的，通过环流可逆调速系统对电机的正反转进行控制进而完成对工业机器人的关节伺服控制的目的。

2.1控制系统设计

本控制系统采用SIEMENS7-300型PLC，外扩展数模转换模块SM334,将PLC输出的数字信号转换成为模拟量信号，然后通过BTI变流调速系统来驱动电机的正反转运行，从而驱动机器人上的关节按程序设定的控制要求动作。变流调速系统主要包括电流调节器ACR、反组触发器GTS、转速调节器ASR、环流调节器ARR、电流反馈器TCV和正组触发器GTD等部分组成。如图I所示为机器人关节伺服控制系统结构图。

2.2伺服系统工作原理

系统原理如图2所示，可控环流可逆调速系统的主电路采用交叉联接方式，整流变压器的一个副边绕组接成Y型，另一个接成△型，2个交流电源的相位错开30°，其环流电压的频率为12倍工频。为了抑交流环流，在2组可控整流桥之间接放了2只均衡电抗器，电枢回路中仍保留一只平波电抗器。

图2工业机器人关节伺服系统原理图

控制电路主要由转速调节器ASR、电流调节器ACR、环流调节器ARR，正组触发器GTD、反组触发器GTS、电流反馈器TCV组成（见图2），其中2组触发器的同步信号分别取自与整流变压器相对应的同步变压器。系统给定为零时，转速调节器ASR、电流调节器ACR被零速封锁信号锁零。此时，系统主要由环流调节器ARR组成交叉反馈的恒流系统。由于环流给定的影响，2组可控硅均处于整流状态，输出的电压大小相等、极性相反，电机电枢电压为零，电机停转，输出的电流流经2组可控硅形成环流。环流不宜过大，一般限制在电机额定电流的5%左右。正向启动时，随着转速信号Ugn的增大，封锁信号解除，转速调节器ASR输出Ugi1为正，电流调节器ACR输出Uk为负，环流调节器ARR受Uk和环流给定的双重作用，Ukz增大、UkF减小，正组可控硅处于工作状态，反组可控硅处于待机状态。电机电枢电压为正，电机正向运行。此时，正组电流反馈电压+Ufi2反映电机电枢电流与环流电流之和；反组电流反馈

电压–Uri1反映了电枢电流，因此可以对主电流进行调节。而正组环流调节器输入端所加的环流给定信号–Ugih和交叉电流反馈信号–Ufi1对这个调节过程影响极小。反组环流调节器的输入电压为（+Uk）+（–Ugih）+（Ufi2），随着电枢电流的不断增大，当达到一定程度时，环流自动消失，反组可控硅进入待逆变状态。反向启动时情况相反。另外，可控环流可逆调速系统制动时仍然具有本桥逆变，反接制动和反馈制动等过程。由于启动过程也是环流逐渐减小的过程，因此，电机停转时，系统的环流达最大值。环流有助于系统越过切换死区，改善过渡特性。

3控制系统软件设计

控制系统的程序设计思路是需先手动输入一个关节的角度值，然后启动电机转动，通过与电机主轴上相连的编码器来测量电机的旋转的角度，并将电机的旋转动角度转换为电子脉冲信号。由于电机的转速很高，所以为满足脉冲的分辨率需将采集的脉冲信号直接送往到PLC的高速计数器通道。然后将高速计数通道记录的脉冲数与手输人经转换后的脉冲数进行比较，若两者相等则电机已达到指定角度，否则电机将继续对角度进行修正。但由于高速旋转电机在突然停车后会存在一定的惯性，因此在对脉冲信号进行比较时允许图3电机控制系统程序框图存在一定的误差，否则电机可能会一直对位置进行修正。

电机控制系统程序框图如图3所示。

结束语

本文通过对工业机器人关节控制系统部分进行分析和研究，设计出了一套以西门子PLC作为核心的工业机器人关节电气控制系统，并利用PLC的可扩展能力和稳定性等特点，实现了对工业机器人关节的伺服控制。

参考文献

[1]夏卿,申杰.基于PLC控制的机器人机械手平台设计[J].煤炭技术,2012,02:57-59.

[2]马芳玲.基于PLC的机器人自动控制系统的设计[J].科技信息,2012,04:251.

[3]杨碧玉.基于PLC、视觉系统和机器人的全自动化生产线设计[J].科技资讯,2012,20:32-35.

[4]霍文峰.基于PLC的焊接机器人柔性控制系统[J].农业网络信息,2012,07:32-34.

[5]侯辉,刘广瑞.基于PLC的药房码垛机器人控制系统研究[J].制造业自动化,2012,20:108-110.