20世紀(jì)80年代以來(lái)，隨著集成電路、電力電子技術(shù)和交流可變速驅(qū)動(dòng)技術(shù)的發(fā)展，永磁交流伺服驅(qū)動(dòng)技術(shù)有了突出的發(fā)展，各國(guó)著名電氣廠商相繼推出各自的交流伺服電動(dòng)機(jī)和伺服驅(qū)動(dòng)器系列產(chǎn)品并不斷完善和更新。交流伺服系統(tǒng)已成為當(dāng)代高性能伺服系統(tǒng)的主要發(fā)展方向，使原來(lái)的直流伺服面臨被淘汰的危機(jī)。

90年代以后，世界各國(guó)已經(jīng)商品化了的交流伺服系統(tǒng)是采用全數(shù)字控制的正弦波電動(dòng)機(jī)伺服驅(qū)動(dòng)。交流伺服驅(qū)動(dòng)裝置在傳動(dòng)領(lǐng)域的發(fā)展日新月異。目前制約基于PLC的控制伺服系統(tǒng)在工業(yè)應(yīng)用上的主要問(wèn)題，主要包括以下幾個(gè)方面：支持PLC控制伺服系統(tǒng)的智能設(shè)備造成初期投資的提高；系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如何變化，如何構(gòu)筑一個(gè)基于PLC伺服的控制系統(tǒng)；通訊是否可靠；設(shè)備選型的局限性等對(duì)于用戶的這些疑問(wèn)等。

近幾年來(lái)，隨著機(jī)器人技術(shù)與控制技術(shù)的發(fā)展，機(jī)器人在日常生活和工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中得到廣泛應(yīng)用。機(jī)器人對(duì)象是一個(gè)非線性、強(qiáng)耦合的多變量系統(tǒng)，在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中．由于存在摩擦、負(fù)載變化等不確定因素，因而它還是一個(gè)時(shí)變系統(tǒng)。

傳統(tǒng)的機(jī)器人控制技術(shù)大多是基于模型的控制方法，無(wú)法得到滿意的軌跡跟蹤效果模糊控制和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等人工智能的發(fā)展為解決機(jī)器人軌跡跟蹤問(wèn)題提供了新的思路。普通模糊控制的控制規(guī)則大部分是人們的經(jīng)驗(yàn)總結(jié)。不具備自學(xué)習(xí)、自適應(yīng)的能力，往往還受到人的主觀性的影響。因此不能很好地控制時(shí)變不確定的系統(tǒng)。

目前，工業(yè)機(jī)器人關(guān)節(jié)主要是采用交流伺服系統(tǒng)進(jìn)行控制，本研究將技術(shù)成熟、編程方便、可靠性高、體積小的SIEMENSS-200可編程控制器，應(yīng)用于可控環(huán)流可逆調(diào)系統(tǒng)，研制出機(jī)器人關(guān)節(jié)直流伺服系統(tǒng)，用以對(duì)工業(yè)機(jī)器人關(guān)節(jié)進(jìn)行伺服控制。

01

機(jī)器人伺服控制系統(tǒng)建立

本系統(tǒng)中，立體定位系統(tǒng)作為主要數(shù)據(jù)輸入通道，用于精確獲取目標(biāo)位置與機(jī)器人之間精確的相對(duì)位置。隨后將這些現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)空間信息融入先前建立的空間模型。期間需要確定前模型與實(shí)際的三維空間變換關(guān)系，即配準(zhǔn)。

然后，機(jī)器人根據(jù)計(jì)算機(jī)輔助系統(tǒng)制定的運(yùn)動(dòng)計(jì)劃進(jìn)行運(yùn)動(dòng)操作。運(yùn)動(dòng)中，立體定位系統(tǒng)通過(guò)對(duì)機(jī)器人與目標(biāo)空間位置的不斷采集，結(jié)合機(jī)器人多軸控制器進(jìn)行視覺(jué)控制。機(jī)器人控制系統(tǒng)如圖1所示?？驁D中輸入為機(jī)器人行走驅(qū)動(dòng)伺服電機(jī)的反饋電流，輸出為機(jī)器人的行走速度，由伺服調(diào)速實(shí)現(xiàn)。

圖1 機(jī)器人控制系統(tǒng)

本文設(shè)計(jì)的機(jī)器人為六自由度機(jī)器人：三個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)三個(gè)平動(dòng)。機(jī)器人的六自由度協(xié)同完成空間運(yùn)動(dòng)。考慮到設(shè)計(jì)的機(jī)器人屬于小型機(jī)器人，希望盡量減輕重量。這樣一來(lái)，由于剛度下降而要求限定機(jī)構(gòu)整體負(fù)載，同時(shí)還要考慮機(jī)構(gòu)高速運(yùn)動(dòng)時(shí)的穩(wěn)定性。而且，該多自由度機(jī)構(gòu)的剛度設(shè)計(jì)取決于運(yùn)動(dòng)的速度與方向。

▌控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)采用SIEMENS7-200型PLC，外加D/A數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊，將PLC數(shù)字信號(hào)變成模擬信號(hào)，通過(guò)BT—I變流調(diào)速系統(tǒng)(主要由轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR、電流調(diào)節(jié)器ACR、環(huán)流調(diào)節(jié)器ARR，正組觸發(fā)器GTD、反組觸發(fā)器GTS、電流反饋器TCV組成)驅(qū)動(dòng)直流電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，驅(qū)動(dòng)機(jī)器人關(guān)節(jié)按控制要求進(jìn)行動(dòng)作。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 機(jī)器人伺服控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

▌系統(tǒng)工作原理

控制系統(tǒng)原理如圖3所示，可控環(huán)流可逆調(diào)速系統(tǒng)的主電路采用交叉聯(lián)接方式，整流變壓器的一個(gè)副邊繞組接成Y型，另一個(gè)接成△型，2個(gè)交流電源的相位錯(cuò)開(kāi)30°，其環(huán)流電壓的頻率為l2倍工頻。為了抑交流環(huán)流，在2組可控整流橋之間接放了2只均衡電抗器，電樞回路中仍保留一只平波電抗器。

圖3 工業(yè)機(jī)器人直流伺服系統(tǒng)原理圖

控制電路主要由轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR、電流調(diào)節(jié)器ACR、環(huán)流調(diào)節(jié)器ARR，正組觸發(fā)器GTD、反組觸發(fā)器GTS、電流反饋器TCV組成如圖3所示，其中2組觸發(fā)器的同步信號(hào)分別取自與整流變壓器相對(duì)應(yīng)的同步變壓器。

系統(tǒng)給定為零時(shí)，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR、電流調(diào)節(jié)器ACR被零速封鎖信號(hào)鎖零。此時(shí)，系統(tǒng)主要由環(huán)流調(diào)節(jié)器ARR組成交叉反饋的恒流系統(tǒng)。由于環(huán)流給定的影響，2組可控硅均處于整流狀態(tài)，輸出的電壓大小相等、極性相反，直流電機(jī)電樞電壓為零，電機(jī)停轉(zhuǎn)，輸出的電流流經(jīng)2組可控硅形成環(huán)流。環(huán)流不宜過(guò)大，一般限制在電機(jī)額定電流的5%左右。

正向啟動(dòng)時(shí)，隨著轉(zhuǎn)速信號(hào)Ugn的增大，封鎖信號(hào)解除，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR輸正，電機(jī)正向運(yùn)行。此時(shí)，正組電流反饋電壓+Ufi2反映電機(jī)電樞電流與環(huán)流電流之和;反組電流反饋電壓-Uril反映了電樞電流，因此可以對(duì)主電流進(jìn)行調(diào)節(jié)。而正組環(huán)流調(diào)節(jié)器輸入端所加的環(huán)流給定信號(hào)-Ugih和交叉電流反饋信號(hào)-Ufil對(duì)這個(gè)調(diào)節(jié)過(guò)程影響極小。

反組環(huán)流調(diào)節(jié)器的輸入電壓為(+Uk)+(-Ugih)+(Ufi2)，隨著電樞電流的不斷增大，當(dāng)達(dá)到一定程度時(shí)，環(huán)流自動(dòng)消失，反組可控硅進(jìn)入待逆變狀態(tài)。反向啟動(dòng)時(shí)情況相反。另外，可控環(huán)流可逆調(diào)速系統(tǒng)制動(dòng)時(shí)仍然具有本橋逆變，反接制動(dòng)和反饋制動(dòng)等過(guò)程。由于啟動(dòng)過(guò)程也是環(huán)流逐漸減小的過(guò)程，因此，電機(jī)停轉(zhuǎn)時(shí)，系統(tǒng)的環(huán)流達(dá)最大值。環(huán)流有助于系統(tǒng)越過(guò)切換死區(qū)，改善過(guò)渡特性。

▌伺服控制系統(tǒng)調(diào)速控制系統(tǒng)及其原理

伺服電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)由伺服驅(qū)動(dòng)器、電動(dòng)機(jī)及其控制系統(tǒng)構(gòu)成。伺服調(diào)速系統(tǒng)通過(guò)改變異步電動(dòng)機(jī)定子的供電源頻率，從而改變電動(dòng)機(jī)同步轉(zhuǎn)速，其調(diào)速特性基本上保持了伺服電動(dòng)機(jī)固有的機(jī)械特性硬度高、轉(zhuǎn)差率小的特點(diǎn)，同時(shí)具有效率高、調(diào)速范圍寬、精度高、調(diào)速平滑等優(yōu)點(diǎn)。伺服調(diào)速工作原理圖如圖3所示。

（a）伺服驅(qū)動(dòng)器工作原理圖          （b）伺服調(diào)速工作原理框圖

圖3伺服調(diào)速工作原理圖

改變電機(jī)頻率和極數(shù)均可改變電機(jī)的轉(zhuǎn)速。因此改變電動(dòng)機(jī)頻率就可以實(shí)現(xiàn)調(diào)速運(yùn)轉(zhuǎn)。

伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)主要設(shè)備是提供變頻電源的伺服驅(qū)動(dòng)，伺服驅(qū)動(dòng)器可分成交-直-驅(qū)動(dòng)器和直-交變頻器兩大類，目前國(guó)內(nèi)大都使用交-直-交驅(qū)動(dòng)器。其特點(diǎn)是效率高，調(diào)速過(guò)程中沒(méi)有附加損耗；應(yīng)用范圍廣；調(diào)速范圍大，精度高。

改變定子電源頻率可以改變同步轉(zhuǎn)速和電機(jī)的轉(zhuǎn)速。又由電動(dòng)機(jī)的電勢(shì)公式可知外加電壓近似與頻率和磁通的乘積成正比，即

由上式可知，若外加電壓不變，則磁通隨頻率改變而改變。一般電機(jī)在設(shè)計(jì)中為了充分利用鐵心材料都把磁通Ф的數(shù)值選在接近磁飽和的數(shù)值上，因此，如果頻率從額定值往下降低，磁通會(huì)增加，將造成磁路過(guò)飽和，勵(lì)磁電流增加，鐵心過(guò)熱，這是不允許的。為此我們要在降頻的同時(shí)還要降壓，這就要求頻率與電壓能協(xié)調(diào)控制。

02

 系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)

程序設(shè)計(jì)方案為手動(dòng)輸入一個(gè)角度值，讓電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，通過(guò)與電動(dòng)機(jī)相聯(lián)的光電碼盤來(lái)檢測(cè)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)的角度，將轉(zhuǎn)動(dòng)角度變成脈沖信號(hào)。由于電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速非常快，所以只能把脈沖信號(hào)送往PLC的高速計(jì)數(shù)器。然后將計(jì)數(shù)器的脈沖記錄與手輸入的進(jìn)行比較，如果兩者相等說(shuō)明電動(dòng)機(jī)已經(jīng)到達(dá)指定角度位置，否則繼續(xù)進(jìn)行修正。值得注意的是，由于電動(dòng)機(jī)從轉(zhuǎn)動(dòng)突變到停止會(huì)有一定的慣性，因此在進(jìn)行信號(hào)比較時(shí)應(yīng)允許有一定的誤差，不然電動(dòng)機(jī)就會(huì)始終處在修正位置狀態(tài)。系統(tǒng)程序框圖如圖4所示。

圖4 系統(tǒng)程序框圖

03

結(jié)論

基于PLC研制的直流伺服系統(tǒng)，利用PLC擴(kuò)展能力強(qiáng)的特點(diǎn)，添裝手動(dòng)輸放裝置，實(shí)現(xiàn)工業(yè)機(jī)器人關(guān)節(jié)直流伺服系統(tǒng)的可視操作。其優(yōu)點(diǎn)是：

（1）無(wú)需改變電路結(jié)構(gòu)，即可通過(guò)程序?qū)崿F(xiàn)電機(jī)正反轉(zhuǎn)的控制；

（2）能夠使電機(jī)不等待停止轉(zhuǎn)動(dòng)即可立刻反方向轉(zhuǎn)動(dòng)；

（3）可令電機(jī)急停，避免電機(jī)慣性轉(zhuǎn)動(dòng)；

（4）編程、維護(hù)方便。