基于PLC的KTV自助机器人控制系统的研究.pdf

电气与 自动化 王 志斌 ， 等 基 于 P L C的 K T V 自助机器人控 制 系统的研究 基 于 P L C的 KT V 自助机器人控 制系统 的研 究 王志斌 ， 薛姣益 三江 学院 ， 江苏 南京 2 1 0 0 1 2 摘要 自助机器人的动作是由步进电机来驱动， 步进电机的控制精度比较高， 在工业上有着 广泛的应用。介绍步进 电机 的控 制机 理和使用 P L C对 步进 电机控 制的具体 过程 ． 给 出 了控制 系统的硬件 、 软件设 计方法。实际使 用效果明显。 关键词 自助 ； 机器人 ； 可编程控 制器； 步进 电机 ； 电机控制 ； 运动控制 中图分类号 T P 2 4 2 文献标志码 A 文章编号 1 6 7 1 ， 5 2 7 6 2 0 1 4 0 6 ． 0 1 7 2 0 3 Re s e a r c h O N KTV Se r v i c e Ro b o t Co nt r o l Sy s t e m Ba s e d o n PLC WAN G Z h i b i n，XUE J i a o y i S a n j i a n g U n i v e r s i t y ，N a n j i n g 2 1 0 0 1 2 ，C h i n a Abs t r a c t． Th e r ob o t c a r i s d d v en b y s t e p p er mo t or ． I t s c on t r ol p r e c i s ion i s v er y high a n d it i s wid ely u s ed in in du s t ry ．Th i s p ap e r i n t ro- d u c e s t h e c on t r o l in g me c h an is m a n d p r o c e s s of t h e s t e p p er mo t o r wh ich i s eq u i p p ed wit h PL C an d g ive s ou t t h e h a r d wa r e an d s of t - war e d es ign me t ho d o f t h e c on t rol s y s t e m．Th e p r a c t i c al ap p l ic a t io n sh o ws t h a t its r e s u l t is p er f e c t ． Ke y wor ds s elf - aid；c a r r o bo t ；PL C；s t ep p er mo t or ；mo t o r c on t rol ；mot i o n c o n t rol 自动化技术越来越成熟 ， 中国开始 由制造 大国向创新 大国发展， 同时国人的生活也开始向舒适型发展， 而舒适 的一个重要途径就是自动化。K T V休闲娱乐便是其中有 效地娱乐活动之一， 如何能实现 自动点歌、 自动选取消费 品及美食等是目前设计要解决的问题。 1 解 决思路 自助机 器人是 在 K T V活 动 中心解 决 这 一 问题 重要 装置 ， 控制装置可以选用 P L C或者单片机来实现 ． 操作 装置主要是遥控器。消费者根据 自己的喜好可以随意 按动遥控器按钮就可以选中自己钟意的菜单和美食 ， 这 样 ， 一次投入对于经营者来说 ， 既可 以节省周而复始的 人员成本， 又可 以使消费者参与和享受 自助服务 ， 更便 于管理。自助机器人的出现， 对于现代服务理念将是一 个全新的挑战 自助机器人是 由小车系统来担负本 身的运动和转 向 在这里用小车 比用环顾休 闲吧 台的流水 线式 的移 动桌面更省空间和 自主性更强 小车机构做成 圆台形 方 便各 个方 向干 涉 ； 在 自助机 器人 的小 车 上装 载 有 升 降台装置， 它专门负责机器手的垂 直位移 以满 足消费 者对各 个位 置 高 度不 同 的消 费 菜单 的选 择 ； 自助 机 器 人的机械手装载在升降装置的前上方 ， 专 门负责抓取 或点击 目标菜单 。自主机器人 的电气控制单元主要控 制机器人的纵横向移动及转位移动， 升降装置带动它 本身 和它 的手 臂 来 完成 垂 直 运 动 ， 机 器 人 的 手 臂靠 电 机驱 动相 同齿 数 和模 数 的对 啮 合 齿 轮 来 驱 动 角 位 移 ． 如果 要实 现点 去 目标 只需要 一个 机 械 手臂 操作 就 可 以 了， 旋转动作可以实现屏蔽。为了防止在 K T V里消费 者在不使用机器人或者在跳舞 时机器人在脚下对消费 者造成伤害， 自助机器人做成圆台形。 一方面消费者碰 到它会沿着圆台切面旋转而不撞伤消费者 ． 二是在圆 台的六个方向均安装红外线测距传感器 ， 当消费者距 离自助机器人接近 3 0 0 m m时机器人上 的蜂呜装置发 出有节奏的音乐或者发出有节奏的亮光提醒她的位置 自助机器人身上的亮光和 K T V的光线交相辉映美不 胜收， 同时 自助机器人可 以在传感器接通的方 向驱动 机 器人 沿着 反方 向移 动 也 就 是 消 费者 的前 进 方 向 。 整 个 自助机 器 人 的操 作 是 由步 进 电 机 拖 动 ． 它 总 共 有 四个轴八个位移方向， 消费者点击遥控按钮 ． P L C接受 其信号， 然后 P L C驱动步进 电机驱动器 ， 驱动器驱动步 进 电机按消费者的 目标移动 整个控制过程的系统结 构 _ l j 如 图 l 所 示 ， 系 统 硬 件 部 分 由 遥 控 器 、 P L C控 制 器、 驱动器 、 步进 电机 、 蓄电池等组成。操作面板实现 对 自助机 器人 的操 作功 能 控制 器 P L C发 出脉冲 、 方 向 信号 ， 通过驱动器控制步进电机的运行状态。 脉冲 - ◆ 方 向 脱机 图 1 系统控制原理 图 自助机器人的电气控制单元就是负责将图 l 各单元 逻辑接口连接， 这样消费者在点击自助机器人驱动按钮时 作者简介 王志斌 1 9 7 4 - ， 男 ，山西万荣人 ， 讲师 ， 本科 ， 研究方 向 机械制造及 自动化。 1 7 2 h t t p ／ ／ Z Z H D ． c h i n a j o u r n a 1 ． n e t ． 3 11 E - m a i l Z Z H D c h a i n a j o u r n a 1 ． n e t ． c n 机械制造与自动化 电气 与 自动化 王志斌 。 等 基 于 P L C的 K T V 自助机器人控 制 系统的研究 或者传感 器接 收到位移信号后 ， 机器人能按控制要求进行 位移。为便于操作者远程控制和娱乐化， 驱动按钮安装在 迷你遥控器上． 遥控接收器收到信号后立即传给 P L C的 输入接口。 P L C驱动驱动器继而驱动电机， 自主机器人变 “ 活” 了。 步进电机的主要作用是将接收到的电脉冲信号转变 为角位移或线位移的开环执行元件， 如果是闭环系统 ， 机器人的位移将更精确。 但是价格将会更高 。自助机器 人所能承载的食品或者菜单都是标准规格的， 一般情况下 不用考虑超载问题． 故电机的转速高低、 停止的位置只取 决于脉冲信号的频率和脉冲数， 也就是说． 给电机加一个 脉冲信号， 电机则转过一个最小步距角。因脉冲信号与电 机角位移的线性关系， 步进电机只有周期性的误差并且没 有累积误差。脉冲信号的频率决定电机的速度， 使得 自主 机器人在速度、 位置等控制环节用步进电机来控制变得非 常简单 。 可编程 控制 器 p r o g r a mm a b l e l o g i c c o n t r o l l e r ， 通 常称 P L C 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 ， 与单片机相比， P L C程序简单易懂， 操作方便， 可靠性 高． 编程容易和 P L C故障诊断也很容易等特点从而是 目 前广泛应 用的控制装置之 一。P L C对步进 电机也 具有 良 好的控制能力 ， 尤其是利用其高速脉冲输出功能或运动控 制功能对步进电机的控制． 也就是说 P L C可实现对步进 电机的运动进行控制。利用 P L C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 。 2 功能设计 对利用 P L C的 l ， Ⅳ 自助机器人控制系统的研究和对 步进电机的控制原理以及 P L C控制系统 的硬件和软件设 计机理。 2 ． 1 步进电机的控制原理及特性 a 步进电机是一种将电脉冲信号转化为角位移的执 行单元。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 电机按设定的方 向转 动一个同定的角度 称 为“ 步距 角” ， 它 的旋转 是 以步距 角一步一步运行的。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， 可以实现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 1 0 0 ％ 的特点， 广泛应用于各种开环 控制。 步进电机不能直接接到工频交流或直流电源上工作 ． 而必须使用专用的驱动器 ， 如图 2所示． 它由脉冲发生控 制单元 、 功率驱动单元、 保护单元等组成。图 2中点划线 所包围的2个单元可以用微机控制来实现。驱动单元必 须与驱动器直接耦合 防电磁干扰 ， 也可理解成微机控 Ma c h i n e B u il d in g 8 Au to m a t io n ，D e c 2 0 1 4 ， 私 6 1 7 2 ～1 7 4 制器的功率接口。 图 2 步进 电机驱动器 工作原理 图 b 步进 电机 的特 点 1 一 般 步进 电机 的精 度 为步 距角 的 3 ％～5 ％， 且 不 累积 ， 所 以具有 良好 的 跟 随特性 。 2 步进电机外表所能承受的最高温度范 围。步进电机 温度过高首先会使电机的磁性材料退磁 ， 从而导致驱动 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 8 O℃ ～ 9 0℃时完全正 常 。3 步进 电机 的 驱动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 ， 并伴有沉闷的叫声。 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 3为步进电机脉冲 频率的变化规律图 { l O 图 3 步进电机脉冲频率的变化规律 C 步进 电机脉 冲频率 的变化规律⋯ 系统设计中采用的步进电机为 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． 且加速速度越小则冲击越小， 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 加速一恒速 高速 一 减速一恒速 低速 一停止。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3所示。可见在步进电机启 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 2 0 0 H z时处于震荡 区内， 容易损坏内部元件， 而在 2 0 0 H z以下运转速度较 慢， 效率较低 ， 故一般采用 3 5 0 H z 作为脉冲的低频起点。 经测试， 轻载时高频脉冲可达到 6 ． 8 k H z 。 1 73 电气与自动化 王志斌， 等 基于P L C的K T V 自助机器人控制系统的研究 2 ． 2 步进电机 P L C控制系统的硬件设计 a 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。根据负载的控制精度要求选择步距角大小 ， 根 据负载的大小确定静力矩， 静力矩一经确定根据电机矩频 特性曲线来判断电机的电流。一旦三大要素确定 ． 步进电 机的型号便确定下来了。本系统使用的是南京步进电机 厂的 3 5 B Y G系列的步进电机． 其转矩比较高； 2 驱动 器 遵循 先 选 电机后 选 驱动 的原 则 ， 电机 的 相数 、 电流大小是驱动器选择的决定性因素； 在选型中， 还要根据 P L C输出信号的极性来决定驱动器输入信号 是共阳极或共 阴极。为了改善 电机的运行性能和提高 控制精度， 通常通过选择带细分功能的驱动器来实现 ， 目前驱动器的细分等级有 8倍、 1 6倍、 3 2倍 、 6 4倍等 ， 最 高可达 2 5 6倍细分。在实际应用 中， 应根据控制要求和 步进电机的特性选择合适的细分倍数 ． 以达到更高的速 度和更大的高速转矩， 使电机运转精度更高， 振动更小。 经 比较选 用的是南 京步 进 电机 厂的 H S M 系列 的步进 电 机驱 动器 。 3 P L C 在对 P L C选型前， 应根据下式计算系统的脉 冲当量、 脉冲频率上限和最大脉冲数量⋯。 脉冲当 量 生 脉冲 频率上限 鳖 堕 最 大 脉 冲 数 量 壁 堕 { 警 根据脉 冲频 率可 以确定 P L C高 速脉 冲输 出时 的 频 率， 根据脉冲数量可以确定 P L C的位宽。运用 P L C控制 步进电机时． 应该保证 P L C具有高速脉冲输出功能， 通过 选择具有高速脉冲输出功能或专用运动控制功能的模块 来实现。设计中． 根据选型原则和功能要求， 采用 的步进 电机为0 ． 9 。 步距角的二相步进电机； 因为考虑到是用在机 器人小车上 ． 所有部件都 需要跟 车移动 ， 所 以整体选用 两 块 1 2 v蓄电池 ， P L C工作电源选用 2 4 V D C ， 用的是信捷 x C 3 一l 4的P L C两个 因有四个步进电机 ， 而每个 x c 3 1 4只有两个 高速脉冲输 出 。 4 遥控器选择 机器人控制需要 8个方向再加电源 控制 。 选择 H B G Y 8 0 1 八方 向 八点动 型 8 个 控制点 ， 轻 型遥控器 。电源由空气开关手动启动。 b 硬件连接 按照系统控制要求， 系统 I ／ 0硬件连接如图 4所示 部分内容， 关于关于红外部分略 。 P L C 1 ． 8 K 步进 电机 一 C O M一 C O M 2 4 V 驱动器 I 遥 一 C N 1 一 X 0 2 4 V - ] L D C 控 一C N2 一 Xl COM COM DC． 器 一 C N 3 一 2 Y 0 脉冲 A 步 C N 4 一 Yl 方 向 A 。 进 2 4 V Y 2 脱机 B 电 蓄电 池L 0 V Y 3 B ． 机 1 74 图 4 系统 I ／ 0连接 图 部分 2 ． 3 步 进 电机 P L C 控 制 系统 的 软 件 设计 ] 步进电机控制程序可以采用梯形图语言或者指令表 语言等进行编制， 控制程序在上位机中编制、 调试和编译 后， 即可下载到 P L C中。如图 5所示为一个 电机控制梯 形图 部分 口输出脉冲信号， y 1 和 为方向和脱机 信号。D P L S F为 3 2位可变频的形式产生连续脉冲的指 令。 S T O P为脉冲停止指令。设计 时先用西门子 s 7 2 加 系列 P L C编程调试， 成功后改用所选无锡信捷的P L C 。 3结语 图 5 步进 电机控制梯形 图 利用 P L C可方便地实现对电机的方向和位置进行控 制． 可靠地实现各种步进电机的操作， 完成机器人的各种 复杂动作。步进电动机以其显著的特点 ， 在自动化时代发 挥着重大的用途。伴 随着 自动化控制技术 的发展 、 传感器 技术的发展以及步进电机本身技术的提高． 步进电机将会 在更多的领域得到应用。利用 P L C技术可以对家庭、 办 公室、 音乐机器人 、 自动搜救机器人以及工业控制中各种 自动 、 半 自动技 术 发 展起 到 促进 作 用 ， 也进 一 步 展现 了 P L C技术对现代服务业的有力支持和广阔应用。 参考文献 [ 1 ]郭夕琴 ， 丁荣乐 ， 王志斌． 半 自动搬运机器人小 车运 动的控制． 中国高新技术企业 ， 2 0 1 0 2 4 4 ． [ 2 ]王文凭 ， 李天培 ， 冯根 生． 一种智能搬运 机器人 的设 计与实现 [ J ] ． 计算 机测量与控制 ， 2 0 1 1 ， 1 9 2 3 9 5 ． 收稿 日期 2 0 1 30 8 2 9 h t t p ffZ Z H D ． c h i n a j o u r n a 1 ． n e t ． c n E - m a i l Z Z H D c h a i n a j o u ma 1 ． n e t ． c n 机械帛 】 造与自 动化