基于PLC的KTV 自助機(jī)器人控制系統(tǒng)的研究

王志斌,薛姣益

(三江學(xué)院,江蘇南京210012)

自動(dòng)化技術(shù)越來越成熟,中國開始由制造大國向創(chuàng)新大國發(fā)展,同時(shí)國人的生活也開始向舒適型發(fā)展,而舒適的一個(gè)重要途徑就是自動(dòng)化。KTV休閑娛樂便是其中有效地娛樂活動(dòng)之一,如何能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)點(diǎn)歌、自動(dòng)選取消費(fèi)品及美食等是目前設(shè)計(jì)要解決的問題。

1 解決思路

自助機(jī)器人是在KTV活動(dòng)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(jī)來實(shí)現(xiàn),操作裝置主要是遙控器。消費(fèi)者根據(jù)自己的喜好可以隨意按動(dòng)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(jīng)營者來說,既可以節(jié)省周而復(fù)始的人員成本,又可以使消費(fèi)者參與和享受自助服務(wù),更便于管理。自助機(jī)器人的出現(xiàn),對于現(xiàn)代服務(wù)理念將是一個(gè)全新的挑戰(zhàn)。

自助機(jī)器人是由小車系統(tǒng)來擔(dān)負(fù)本身的運(yùn)動(dòng)和轉(zhuǎn)向(在這里用小車比用環(huán)顧休閑吧臺的流水線式的移動(dòng)桌面更省空間和自主性更強(qiáng);小車機(jī)構(gòu)做成圓臺形方便各個(gè)方向干涉);在自助機(jī)器人的小車上裝載有升降臺裝置,它專門負(fù)責(zé)機(jī)器手的垂直位移以滿足消費(fèi)者對各個(gè)位置高度不同的消費(fèi)菜單的選擇;自助機(jī)器人的機(jī)械手裝載在升降裝置的前上方,專門負(fù)責(zé)抓取或點(diǎn)擊目標(biāo)菜單。自主機(jī)器人的電氣控制單元主要控制機(jī)器人的縱橫向移動(dòng)及轉(zhuǎn)位移動(dòng),升降裝置帶動(dòng)它本身和它的手臂來完成垂直運(yùn)動(dòng),機(jī)器人的手臂靠電機(jī)驅(qū)動(dòng)相同齒數(shù)和模數(shù)的對嚙合齒輪來驅(qū)動(dòng)角位移,如果要實(shí)現(xiàn)點(diǎn)去目標(biāo)只需要一個(gè)機(jī)械手臂操作就可以了,旋轉(zhuǎn)動(dòng)作可以實(shí)現(xiàn)屏蔽。為了防止在KTV里消費(fèi)者在不使用機(jī)器人或者在跳舞時(shí)機(jī)器人在腳下對消費(fèi)者造成傷害,自助機(jī)器人做成圓臺形,一方面消費(fèi)者碰到它會(huì)沿著圓臺切面旋轉(zhuǎn)而不撞傷消費(fèi)者,二是在圓臺的六個(gè)方向均安裝紅外線測距傳感器,當(dāng)消費(fèi)者距離自助機(jī)器人接近300 mm時(shí)機(jī)器人上的蜂鳴裝置發(fā)出有節(jié)奏的音樂或者發(fā)出有節(jié)奏的亮光提醒她的位置(自助機(jī)器人身上的亮光和KTV的光線交相輝映美不勝收),同時(shí)自助機(jī)器人可以在傳感器接通的方向驅(qū)動(dòng)機(jī)器人沿著反方向移動(dòng)(也就是消費(fèi)者的前進(jìn)方向)。整個(gè)自助機(jī)器人的操作是由步進(jìn)電機(jī)拖動(dòng),它總共有四個(gè)軸八個(gè)位移方向,消費(fèi)者點(diǎn)擊遙控按鈕,PLC接受其信號,然后PLC驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器,驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)按消費(fèi)者的目標(biāo)移動(dòng);整個(gè)控制過程的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)[1]如圖l所示,系統(tǒng)硬件部分由遙控器、PLC控制器、驅(qū)動(dòng)器、步進(jìn)電機(jī)、蓄電池等組成。操作面板實(shí)現(xiàn)對自助機(jī)器人的操作功能;控制器PLC發(fā)出脈沖、方向信號,通過驅(qū)動(dòng)器控制步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)。

圖1 系統(tǒng)控制原理圖

自助機(jī)器人的電氣控制單元就是負(fù)責(zé)將圖1各單元邏輯接口連接,這樣消費(fèi)者在點(diǎn)擊自助機(jī)器人驅(qū)動(dòng)按鈕時(shí)或者傳感器接收到位移信號后,機(jī)器人能按控制要求進(jìn)行位移。為便于操作者遠(yuǎn)程控制和娛樂化,驅(qū)動(dòng)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(qū)動(dòng)驅(qū)動(dòng)器繼而驅(qū)動(dòng)電機(jī),自主機(jī)器人變“活”了。

步進(jìn)電機(jī)的主要作用是將接收到的電脈沖信號轉(zhuǎn)變?yōu)榻俏灰苹蚓€位移的開環(huán)執(zhí)行元件,(如果是閉環(huán)系統(tǒng),機(jī)器人的位移將更精確,但是價(jià)格將會(huì)更高)。自助機(jī)器人所能承載的食品或者菜單都是標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格的,一般情況下不用考慮超載問題,故電機(jī)的轉(zhuǎn)速高低、停止的位置只取決于脈沖信號的頻率和脈沖數(shù),也就是說,給電機(jī)加一個(gè)脈沖信號,電機(jī)則轉(zhuǎn)過一個(gè)最小步距角。因脈沖信號與電機(jī)角位移的線性關(guān)系,步進(jìn)電機(jī)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(jī)的速度,使得自主機(jī)器人在速度、位置等控制環(huán)節(jié)用步進(jìn)電機(jī)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(yè)控制計(jì)算機(jī),具有模塊化結(jié)構(gòu)、配置靈活、高速的處理速度、精確的數(shù)據(jù)處理能力、多種控制功能、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和優(yōu)越的性價(jià)比等性能,能充分適應(yīng)工業(yè)環(huán)境,與單片機(jī)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(diǎn)從而是目前廣泛應(yīng)用的控制裝置之一。PLC對步進(jìn)電機(jī)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(yùn)動(dòng)控制功能對步進(jìn)電機(jī)的控制,也就是說PLC可實(shí)現(xiàn)對步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行控制。利用PLC控制步進(jìn)電機(jī),其脈沖分配可以由軟件實(shí)現(xiàn),也可由硬件組成。

2 功能設(shè)計(jì)

對利用PLC的KTV自助機(jī)器人控制系統(tǒng)的研究和對步進(jìn)電機(jī)的控制原理以及PLC控制系統(tǒng)的硬件和軟件設(shè)計(jì)機(jī)理。

2.1 步進(jìn)電機(jī)的控制原理及特性

a)步進(jìn)電機(jī)是一種將電脈沖信號轉(zhuǎn)化為角位移的執(zhí)行單元。步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)行需要有脈沖分配的功率型電子裝置驅(qū)動(dòng),這就是步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器,控制系統(tǒng)每發(fā)出一個(gè)脈沖信號,通過驅(qū)動(dòng)器就能驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)按設(shè)定的方向轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)同定的角度(稱為“步距角”),它的旋轉(zhuǎn)是以步距角一步一步運(yùn)行的?？梢酝ㄟ^控制脈沖個(gè)數(shù)來控制角位移量,從而達(dá)到準(zhǔn)確定位的目的;同時(shí)可以通過控制脈沖頻率來控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的速度和加速度,從而達(dá)到調(diào)速的目的。通過改變通電順序,可以實(shí)現(xiàn)改變電機(jī)旋轉(zhuǎn)方向的目的。步進(jìn)電機(jī)可以作為一種控制用的特種電機(jī),利用其沒有積累誤差(精度為100%)的特點(diǎn),廣泛應(yīng)用于各種開環(huán)控制。

步進(jìn)電機(jī)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(qū)動(dòng)器,如圖2所示,它由脈沖發(fā)生控制單元、功率驅(qū)動(dòng)單元、保護(hù)單元等組成。圖2中點(diǎn)劃線所包圍的2個(gè)單元可以用微機(jī)控制來實(shí)現(xiàn)。驅(qū)動(dòng)單元必須與驅(qū)動(dòng)器直接耦合(防電磁干擾),也可理解成微機(jī)控制器的功率接口。

圖2 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器工作原理圖

b)步進(jìn)電機(jī)的特點(diǎn):1)一般步進(jìn)電機(jī)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(jìn)電機(jī)外表所能承受的最高溫度范圍。步進(jìn)電機(jī)溫度過高首先會(huì)使電機(jī)的磁性材料退磁,從而導(dǎo)致驅(qū)動(dòng)力矩下降乃至于失步,因此電機(jī)外表允許的最高溫度應(yīng)取決于不同電機(jī)磁性材料的退磁點(diǎn),一般來講,步進(jìn)電機(jī)外表溫度在80℃~90℃時(shí)完全正常。3)步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)力矩會(huì)隨轉(zhuǎn)速的升高而下降。當(dāng)步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí),電機(jī)各相繞組的電感將形成一個(gè)反向電動(dòng)勢;頻率越高,反向電動(dòng)勢越大。在它的作用下,電機(jī)隨頻率(或速度)的增大而相電流減小,從而導(dǎo)致力矩下降。4)步進(jìn)電機(jī)低速時(shí)可以正常運(yùn)轉(zhuǎn),但若高于一定速度就無法啟動(dòng),并伴有沉悶的叫聲。

步進(jìn)電機(jī)有一個(gè)技術(shù)參數(shù):空載啟動(dòng)頻率,即步進(jìn)電機(jī)在空載情況下能夠正常啟動(dòng)的脈沖頻率,如果脈沖頻率高于該值,電機(jī)不能正常啟動(dòng),可能發(fā)生丟步或堵轉(zhuǎn)。在有負(fù)載的情況下,啟動(dòng)頻率應(yīng)更低。圖3為步進(jìn)電機(jī)脈沖頻率的變化規(guī)律圖:

圖3 步進(jìn)電機(jī)脈沖頻率的變化規(guī)律

c)步進(jìn)電機(jī)脈沖頻率的變化規(guī)律[1]

系統(tǒng)設(shè)計(jì)中采用的步進(jìn)電機(jī)為0.9°步距角二相步進(jìn)電機(jī)。步進(jìn)電機(jī)在啟動(dòng)和停止時(shí)有一個(gè)加速及減速過程,且加速速度越小則沖擊越小,動(dòng)作越平穩(wěn),所以步進(jìn)電機(jī)工作一般要經(jīng)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(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)速與脈沖頻率成正比,所以輸入步進(jìn)電機(jī)的脈沖頻率也要經(jīng)歷一個(gè)類似的變化過程,其變化規(guī)律如圖3所示?？梢娫诓竭M(jìn)電機(jī)啟動(dòng)時(shí)要使脈沖升頻,停車時(shí)使脈沖降頻。

由于步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器在輸入脈沖200 Hz時(shí)處于震蕩區(qū)內(nèi),容易損壞內(nèi)部元件,而在200 Hz以下運(yùn)轉(zhuǎn)速度較慢,效率較低,故一般采用350 Hz作為脈沖的低頻起點(diǎn)。經(jīng)測試,輕載時(shí)高頻脈沖可達(dá)到6.8 kHz。

2.2 步進(jìn)電機(jī)PLC控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

a)硬件選型

1)步進(jìn)電機(jī):步進(jìn)電機(jī)有步距角、靜力矩、電流三大要素組成。根據(jù)負(fù)載的控制精度要求選擇步距角大小,根據(jù)負(fù)載的大小確定靜力矩,靜力矩一經(jīng)確定根據(jù)電機(jī)矩頻特性曲線來判斷電機(jī)的電流。一旦三大要素確定,步進(jìn)電機(jī)的型號便確定下來了。本系統(tǒng)使用的是南京步進(jìn)電機(jī)廠的35BYG系列的步進(jìn)電機(jī),其轉(zhuǎn)矩比較高;

2)驅(qū)動(dòng)器:遵循先選電機(jī)后選驅(qū)動(dòng)的原則,電機(jī)的相數(shù)、電流大小是驅(qū)動(dòng)器選擇的決定性因素;在選型中,還要根據(jù)PLC輸出信號的極性來決定驅(qū)動(dòng)器輸入信號是共陽極或共陰極。為了改善電機(jī)的運(yùn)行性能和提高控制精度,通常通過選擇帶細(xì)分功能的驅(qū)動(dòng)器來實(shí)現(xiàn),目前驅(qū)動(dòng)器的細(xì)分等級有8倍、1 6倍、32倍、64倍等,最高可達(dá)256倍細(xì)分。在實(shí)際應(yīng)用中,應(yīng)根據(jù)控制要求和步進(jìn)電機(jī)的特性選擇合適的細(xì)分倍數(shù),以達(dá)到更高的速度和更大的高速轉(zhuǎn)矩,使電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)精度更高,振動(dòng)更小。經(jīng)比較選用的是南京步進(jìn)電機(jī)廠的HSM系列的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器。

3)PLC:在對PLC選型前,應(yīng)根據(jù)下式計(jì)算系統(tǒng)的脈沖當(dāng)量、脈沖頻率上限和最大脈沖數(shù)量[1]。

根據(jù)脈沖頻率可以確定PLC高速脈沖輸出時(shí)的頻率,根據(jù)脈沖數(shù)量可以確定PLC的位寬。運(yùn)用PLC控制步進(jìn)電機(jī)時(shí),應(yīng)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?qū)Ｓ眠\(yùn)動(dòng)控制功能的模塊來實(shí)現(xiàn)。設(shè)計(jì)中,根據(jù)選型原則和功能要求,采用的步進(jìn)電機(jī)為0.90步距角的二相步進(jìn)電機(jī);因?yàn)榭紤]到是用在機(jī)器人小車上,所有部件都需要跟車移動(dòng),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(gè)(因有四個(gè)步進(jìn)電機(jī),而每個(gè)XC3—14只有兩個(gè)高速脈沖輸出)。

4)遙控器選擇:機(jī)器人控制需要8個(gè)方向再加電源控制,選擇HBGY801八方向(八點(diǎn)動(dòng)型)＋8個(gè)控制點(diǎn),輕型遙控器。電源由空氣開關(guān)手動(dòng)啟動(dòng)。

b)硬件連接

按照系統(tǒng)控制要求,系統(tǒng)I/0硬件連接如圖4所示(部分內(nèi)容,關(guān)于關(guān)于紅外部分略)。

圖4 系統(tǒng)I/0連接圖(部分)

2.3 步進(jìn)電機(jī)PLC控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)[2]

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

圖5 步進(jìn)電機(jī)控制梯形圖

3 結(jié)語

利用PLC可方便地實(shí)現(xiàn)對電機(jī)的方向和位置進(jìn)行控制,可靠地實(shí)現(xiàn)各種步進(jìn)電機(jī)的操作,完成機(jī)器人的各種復(fù)雜動(dòng)作。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)以其顯著的特點(diǎn),在自動(dòng)化時(shí)代發(fā)揮著重大的用途。伴隨著自動(dòng)化控制技術(shù)的發(fā)展、傳感器技術(shù)的發(fā)展以及步進(jìn)電機(jī)本身技術(shù)的提高,步進(jìn)電機(jī)將會(huì)在更多的領(lǐng)域得到應(yīng)用。利用PLC技術(shù)可以對家庭、辦公室、音樂機(jī)器人、自動(dòng)搜救機(jī)器人以及工業(yè)控制中各種自動(dòng)、半自動(dòng)技術(shù)發(fā)展起到促進(jìn)作用,也進(jìn)一步展現(xiàn)了PLC技術(shù)對現(xiàn)代服務(wù)業(yè)的有力支持和廣闊應(yīng)用。

[1]郭夕琴,丁榮樂,王志斌.半自動(dòng)搬運(yùn)機(jī)器人小車運(yùn)動(dòng)的控制.中國高新技術(shù)企業(yè),2010(2):44.

[2]王文憑,李天培,馮根生.一種智能搬運(yùn)機(jī)器人的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].計(jì)算機(jī)測量與控制,2011,19(2):395.