半自动搬运机器人小车的运动控制

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1、半自动搬运机器人小车的运动控制摘要:机器人小车的动作是由步进电机来驱动,步进电机是一种控制精度极高的电机,在工业上有着广泛的应用。文章简要介绍了步进电机的控制原理,并对采用可编程控制器(PLC)对步进电机进行控制的设计方法进行了介绍,给出了控制系统的硬件、软件设计方法。实际应用表明了设计的有效性。关键词:半自动;小车机器人;可编程控制器;步进电机;电机控制;运动控制机器人由小车、升降台、机械手组成。电气PLC要求控制小车的前后左右运转,升降台带动机械手上下运行,机械手则要实现夹紧与松开的运行。机器人小车的动作由步进

2、电机拖动,四个轴八个方向,而步进电机由对应的驱动器驱动,驱动器的控制由PLC来完成。控制方案的系统结构如图1所示,系统硬件部分由控制面板、PLC控制器、驱动器、步进电机等组成。操作面板实现操作功能;控制器PLC发出脉冲、方向信号,通过驱动器控制步进电机的运行状态。而我们就是负责将上述环节按要求连接,使得在操作机器人按钮时,机器人能按要求运动。为了操作方便,操作按钮安装在遥控面板,遥控接收器收到信号传给PLC的输入接口。步进电机是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制元件。在非超载的情况下,电机的转速、停止的位置

3、只取决于脉冲信号的频率和脉冲数,而不受负载变化的影响,即给电机加一个脉冲信号,电机则转过一个步距角。这一线性关系的存在,加上步进电机只有周期性的误差而无累积误差等特点。使得在速度、位置等控制领域用步进电机来控制变得非常简单。可编程控制器(ProgrammableLogicController,通常称PLC)是一种工业控制计算机,具有模块化结构、配置灵活、高速的处理速度、精确的数据处理能力、多种控制功能、网络技术和优越的性价比等性能,能充分适应工业环境,简单易懂,操作方便,可靠性高,是目前广泛应用的控制装置之一。PL

4、C对步进电机也具有良好的控制能力,利用其高速脉冲输出功能或运动控制功能,即可实现对步进电机的控制。利用PLC控制步进电机,其脉冲分配可以由软件实现,也可由硬件组成。本文中,我们将对采用PLC来进行步进电机的设计研究进行介绍,讨论步进电机的PLC控制系统的硬件和软件设计方法。一、步进电机(一)步进电机的控制原理及特性1.步进电机的控制原理。步进电机是一种将电脉冲转化为角位移的执行机构。步进电机的运行需要有脉冲分配的功率型电子装置驱动,这就是步进电机驱动器。控制系统每发出一个脉冲信号,通过驱动器就能驱动步进电机按设定的

5、方向转动一个固定的角度(称为“步距角”),它的旋转是以固定的角度一步一步运行的。可以通过控制脉冲个数来控制角位移量,从而达到准确定位的目的;同时可以通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度,从而达到调速的目的;通过改变通电顺序,从而达到改变电机旋转方向的目的。步进电机可以作为一种控制用的特种电机,利用其没有积累误差(精度为100%)的特点,广泛应用于各种开环控制。2.步进电机的特点:(1)一般步进电机的精度为步进角的3%~5%,且不累积,所以具有良好的跟随特性。(2)步进电机外表允许的最高温度。步进电机温度过高

6、首先会使电机的磁性材料退磁,从而导致力矩下降乃至于失步,因此电机外表允许的最高温度应取决于不同电机磁性材料的退磁点,一般来讲,步进电机外表温度在80℃~90℃完全正常。(3)步进电机的力矩会随转速的升高而下降。当步进电机转动时,电机各相绕组的电感将形成一个反向电动势;频率越高,反向电动势越大。在它的作用下,电机随频率(或速度)的增大而相电流减小,从而导致力矩下降。(4)步进电机低速时可以正常运转,但若高于一定速度就无法启动,并伴有啸叫声。步进电机有一个技术参数:空载启动频率,即步进电机在空载情况下能够正常启动的脉冲

7、频率,如果脉冲频率高于该值,电机不能正常启动,可能发生丢步或堵转。在有负载的情况下,启动频率应更低。图2为步进电机脉冲频率的变化规律图:(二)步进电机脉冲频率的变化规律系统设计中我们采用的步进电机为0.9°步距角二相步进电机。步进电机在启动和停止时有一个加速及减速过程,且加速速度越小则####越小,动作越平稳,所以步进电机工作一般要经历以下的变化过程:加速—恒速(高速)—减速—恒速(低速)—停止。因步进电机转速与脉冲频率成正比,所以输入步进电机的脉冲频率也要经历一个类似的变化过程,其变化规律如图2所示。可见在步进电

8、机启动时要使脉冲升频,停车时使脉冲降频。由于步进电机驱动器在输入脉冲200Hz时处于震荡区内,容易损坏内部元件,而在200Hz以下运转速度较慢,效率较低,故一般采用350Hz作为脉冲的低频起点。经测试,轻载时高频脉冲可达到6.8kHz。二、步进电机PLC控制系统的硬件设计(一)硬件选型1.步进电机:步进电机有步距角、静力矩、电流三大要素组成。根据负载的控制精

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