基于PLC的KTV 自助機器人控制系統的研究

王志斌,薛姣益

(三江學院,江蘇南京210012)

自動化技術越來越成熟,中國開始由制造大國向創新大國發展,同時國人的生活也開始向舒適型發展,而舒適的一個重要途徑就是自動化。KTV休閑娛樂便是其中有效地娛樂活動之一,如何能實現自動點歌、自動選取消費品及美食等是目前設計要解決的問題。

1 解決思路

自助機器人是在KTV活動中心解決這一問題重要裝置,控制裝置可以選用PLC或者單片機來實現,操作裝置主要是遙控器。消費者根據自己的喜好可以隨意按動遙控器按鈕就可以選中自己鐘意的菜單和美食,這樣,一次投入對于經營者來說,既可以節省周而復始的人員成本,又可以使消費者參與和享受自助服務,更便于管理。自助機器人的出現,對于現代服務理念將是一個全新的挑戰。

自助機器人是由小車系統來擔負本身的運動和轉向(在這里用小車比用環顧休閑吧臺的流水線式的移動桌面更省空間和自主性更強;小車機構做成圓臺形方便各個方向干涉);在自助機器人的小車上裝載有升降臺裝置,它專門負責機器手的垂直位移以滿足消費者對各個位置高度不同的消費菜單的選擇;自助機器人的機械手裝載在升降裝置的前上方,專門負責抓取或點擊目標菜單。自主機器人的電氣控制單元主要控制機器人的縱橫向移動及轉位移動,升降裝置帶動它本身和它的手臂來完成垂直運動,機器人的手臂靠電機驅動相同齒數和模數的對嚙合齒輪來驅動角位移,如果要實現點去目標只需要一個機械手臂操作就可以了,旋轉動作可以實現屏蔽。為了防止在KTV里消費者在不使用機器人或者在跳舞時機器人在腳下對消費者造成傷害,自助機器人做成圓臺形,一方面消費者碰到它會沿著圓臺切面旋轉而不撞傷消費者,二是在圓臺的六個方向均安裝紅外線測距傳感器,當消費者距離自助機器人接近300 mm時機器人上的蜂鳴裝置發出有節奏的音樂或者發出有節奏的亮光提醒她的位置(自助機器人身上的亮光和KTV的光線交相輝映美不勝收),同時自助機器人可以在傳感器接通的方向驅動機器人沿著反方向移動(也就是消費者的前進方向)。整個自助機器人的操作是由步進電機拖動,它總共有四個軸八個位移方向,消費者點擊遙控按鈕,PLC接受其信號,然后PLC驅動步進電機驅動器,驅動器驅動步進電機按消費者的目標移動;整個控制過程的系統結構[1]如圖l所示,系統硬件部分由遙控器、PLC控制器、驅動器、步進電機、蓄電池等組成。操作面板實現對自助機器人的操作功能;控制器PLC發出脈沖、方向信號,通過驅動器控制步進電機的運行狀態。

圖1 系統控制原理圖

自助機器人的電氣控制單元就是負責將圖1各單元邏輯接口連接,這樣消費者在點擊自助機器人驅動按鈕時或者傳感器接收到位移信號后,機器人能按控制要求進行位移。為便于操作者遠程控制和娛樂化,驅動按鈕安裝在迷你遙控器上,遙控接收器收到信號后立即傳給PLC的輸入接口,PLC驅動驅動器繼而驅動電機,自主機器人變“活”了。

步進電機的主要作用是將接收到的電脈沖信號轉變為角位移或線位移的開環執行元件,(如果是閉環系統,機器人的位移將更精確,但是價格將會更高)。自助機器人所能承載的食品或者菜單都是標準規格的,一般情況下不用考慮超載問題,故電機的轉速高低、停止的位置只取決于脈沖信號的頻率和脈沖數,也就是說,給電機加一個脈沖信號,電機則轉過一個最小步距角。因脈沖信號與電機角位移的線性關系,步進電機只有周期性的誤差并且沒有累積誤差。脈沖信號的頻率決定電機的速度,使得自主機器人在速度、位置等控制環節用步進電機來控制變得非常簡單。

可編程控制器(programmable logic controller,通常稱PLC)是一種工業控制計算機,具有模塊化結構、配置靈活、高速的處理速度、精確的數據處理能力、多種控制功能、網絡技術和優越的性價比等性能,能充分適應工業環境,與單片機相比,PLC程序簡單易懂,操作方便,可靠性高,編程容易和PLC故障診斷也很容易等特點從而是目前廣泛應用的控制裝置之一。PLC對步進電機也具有良好的控制能力,尤其是利用其高速脈沖輸出功能或運動控制功能對步進電機的控制,也就是說PLC可實現對步進電機的運動進行控制。利用PLC控制步進電機,其脈沖分配可以由軟件實現,也可由硬件組成。

2 功能設計

對利用PLC的KTV自助機器人控制系統的研究和對步進電機的控制原理以及PLC控制系統的硬件和軟件設計機理。

2.1 步進電機的控制原理及特性

a)步進電機是一種將電脈沖信號轉化為角位移的執行單元。步進電機的運行需要有脈沖分配的功率型電子裝置驅動,這就是步進電機驅動器,控制系統每發出一個脈沖信號,通過驅動器就能驅動步進電機按設定的方向轉動一個同定的角度(稱為“步距角”),它的旋轉是以步距角一步一步運行的。可以通過控制脈沖個數來控制角位移量,從而達到準確定位的目的;同時可以通過控制脈沖頻率來控制電機轉動的速度和加速度,從而達到調速的目的。通過改變通電順序,可以實現改變電機旋轉方向的目的。步進電機可以作為一種控制用的特種電機,利用其沒有積累誤差(精度為100%)的特點,廣泛應用于各種開環控制。

步進電機不能直接接到工頻交流或直流電源上工作,而必須使用專用的驅動器,如圖2所示,它由脈沖發生控制單元、功率驅動單元、保護單元等組成。圖2中點劃線所包圍的2個單元可以用微機控制來實現。驅動單元必須與驅動器直接耦合(防電磁干擾),也可理解成微機控制器的功率接口。

圖2 步進電機驅動器工作原理圖

b)步進電機的特點:1)一般步進電機的精度為步距角的3%~5%,且不累積,所以具有良好的跟隨特性。2)步進電機外表所能承受的最高溫度范圍。步進電機溫度過高首先會使電機的磁性材料退磁,從而導致驅動力矩下降乃至于失步,因此電機外表允許的最高溫度應取決于不同電機磁性材料的退磁點,一般來講,步進電機外表溫度在80℃~90℃時完全正常。3)步進電機的驅動力矩會隨轉速的升高而下降。當步進電機轉動時,電機各相繞組的電感將形成一個反向電動勢;頻率越高,反向電動勢越大。在它的作用下,電機隨頻率(或速度)的增大而相電流減小,從而導致力矩下降。4)步進電機低速時可以正常運轉,但若高于一定速度就無法啟動,并伴有沉悶的叫聲。

步進電機有一個技術參數:空載啟動頻率,即步進電機在空載情況下能夠正常啟動的脈沖頻率,如果脈沖頻率高于該值,電機不能正常啟動,可能發生丟步或堵轉。在有負載的情況下,啟動頻率應更低。圖3為步進電機脈沖頻率的變化規律圖:

圖3 步進電機脈沖頻率的變化規律

c)步進電機脈沖頻率的變化規律[1]

系統設計中采用的步進電機為0.9°步距角二相步進電機。步進電機在啟動和停止時有一個加速及減速過程,且加速速度越小則沖擊越小,動作越平穩,所以步進電機工作一般要經歷以下的變化過程:加速—恒速(高速)一減速—恒速(低速)—停止。因步進電機轉速與脈沖頻率成正比,所以輸入步進電機的脈沖頻率也要經歷一個類似的變化過程,其變化規律如圖3所示?？梢娫诓竭M電機啟動時要使脈沖升頻,停車時使脈沖降頻。

由于步進電機驅動器在輸入脈沖200 Hz時處于震蕩區內,容易損壞內部元件,而在200 Hz以下運轉速度較慢,效率較低,故一般采用350 Hz作為脈沖的低頻起點。經測試,輕載時高頻脈沖可達到6.8 kHz。

2.2 步進電機PLC控制系統的硬件設計

a)硬件選型

1)步進電機:步進電機有步距角、靜力矩、電流三大要素組成。根據負載的控制精度要求選擇步距角大小,根據負載的大小確定靜力矩,靜力矩一經確定根據電機矩頻特性曲線來判斷電機的電流。一旦三大要素確定,步進電機的型號便確定下來了。本系統使用的是南京步進電機廠的35BYG系列的步進電機,其轉矩比較高;

2)驅動器:遵循先選電機后選驅動的原則,電機的相數、電流大小是驅動器選擇的決定性因素;在選型中,還要根據PLC輸出信號的極性來決定驅動器輸入信號是共陽極或共陰極。為了改善電機的運行性能和提高控制精度,通常通過選擇帶細分功能的驅動器來實現,目前驅動器的細分等級有8倍、1 6倍、32倍、64倍等,最高可達256倍細分。在實際應用中,應根據控制要求和步進電機的特性選擇合適的細分倍數,以達到更高的速度和更大的高速轉矩,使電機運轉精度更高,振動更小。經比較選用的是南京步進電機廠的HSM系列的步進電機驅動器。

3)PLC:在對PLC選型前,應根據下式計算系統的脈沖當量、脈沖頻率上限和最大脈沖數量[1]。

根據脈沖頻率可以確定PLC高速脈沖輸出時的頻率,根據脈沖數量可以確定PLC的位寬。運用PLC控制步進電機時,應該保證PLC具有高速脈沖輸出功能,通過選擇具有高速脈沖輸出功能或專用運動控制功能的模塊來實現。設計中,根據選型原則和功能要求,采用的步進電機為0.90步距角的二相步進電機;因為考慮到是用在機器人小車上,所有部件都需要跟車移動,所以整體選用兩塊12 V蓄電池,PLC工作電源選用24V DC,用的是信捷XC3—14的PLC兩個(因有四個步進電機,而每個XC3—14只有兩個高速脈沖輸出)。

4)遙控器選擇:機器人控制需要8個方向再加電源控制,選擇HBGY801八方向(八點動型)＋8個控制點,輕型遙控器。電源由空氣開關手動啟動。

b)硬件連接

按照系統控制要求,系統I/0硬件連接如圖4所示(部分內容,關于關于紅外部分略)。

圖4 系統I/0連接圖(部分)

2.3 步進電機PLC控制系統的軟件設計[2]

步進電機控制程序可以采用梯形圖語言或者指令表語言等進行編制,控制程序在上位機中編制、調試和編譯后,即可下載到PLC中。如圖5所示為一個電機控制梯形圖(部分):YO口輸出脈沖信號,Y1和Y2為方向和脫機信號。DPLSF為32位可變頻的形式產生連續脈沖的指令,STOP為脈沖停止指令。設計時先用西門子S7—200系列PLC編程調試,成功后改用所選無錫信捷的PLC。

圖5 步進電機控制梯形圖

3 結語

利用PLC可方便地實現對電機的方向和位置進行控制,可靠地實現各種步進電機的操作,完成機器人的各種復雜動作。步進電動機以其顯著的特點,在自動化時代發揮著重大的用途。伴隨著自動化控制技術的發展、傳感器技術的發展以及步進電機本身技術的提高,步進電機將會在更多的領域得到應用。利用PLC技術可以對家庭、辦公室、音樂機器人、自動搜救機器人以及工業控制中各種自動、半自動技術發展起到促進作用,也進一步展現了PLC技術對現代服務業的有力支持和廣闊應用。

[1]郭夕琴,丁榮樂,王志斌.半自動搬運機器人小車運動的控制.中國高新技術企業,2010(2):44.

[2]王文憑,李天培,馮根生.一種智能搬運機器人的設計與實現[J].計算機測量與控制,2011,19(2):395.