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1、
2011-12-15 來(lái)源： 中國(guó)儀表網(wǎng) 摘要：伴隨著工業(yè)自動(dòng)化的發(fā)展，對(duì)其中的位置控制精確度也逐步的提高，如何能方便，準(zhǔn)確的實(shí)現(xiàn)位置控制，是一個(gè)重大的問(wèn)題，本文講述了如何采用PLC可編程控制器來(lái)實(shí)現(xiàn)精確控制。分別列舉了三項(xiàng)方法，以及他們之間的相互比較。
引言
隨著自動(dòng)化水平的不斷提高，越來(lái)越多的工業(yè)控制場(chǎng)合需要精確的位置控制。因此，如何更方便、更準(zhǔn)確地實(shí)現(xiàn)位置控制是工業(yè)控制領(lǐng)域內(nèi)的一個(gè)重要問(wèn)題。位置控制的精確性主要取決于伺服驅(qū)動(dòng)器和運(yùn)動(dòng)控制器的精度。高端的運(yùn)動(dòng)控制模塊可以對(duì)伺服系統(tǒng)進(jìn)行非常復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)控制。但在有些需要位置控制的場(chǎng)合，其對(duì)位置精
2、度的要求比較高，但運(yùn)動(dòng)的復(fù)雜程度不是很高，這就沒(méi)有必要選擇那些昂貴的高端運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)。
S7-200系列PLC是一種體積小、編程簡(jiǎn)單、控制方便的可編程控制器，它提供了多種位置控制方式可供用戶選擇，因此，如何利用該系列PLC實(shí)現(xiàn)對(duì)伺服電機(jī)運(yùn)動(dòng)位置較為精準(zhǔn)的控制是本文的研究重點(diǎn)。
1、基本控制系統(tǒng)
伺服系統(tǒng)分為液壓伺服系統(tǒng)、電氣－液壓伺服系統(tǒng)以及電氣伺服系統(tǒng)。本文主要討論了電氣伺服系統(tǒng)中的交流伺服系統(tǒng)，其基本組成為交流伺服電機(jī)、編碼器和伺服驅(qū)動(dòng)器。交流伺服系統(tǒng)的工作原理是伺服驅(qū)動(dòng)器發(fā)送運(yùn)動(dòng)命令，驅(qū)動(dòng)伺服電機(jī)運(yùn)動(dòng)，并接收來(lái)自編碼器的反饋信號(hào)，然后重新計(jì)算伺服
3、電機(jī)運(yùn)動(dòng)目標(biāo)位置，從而達(dá)到精確控制伺服電機(jī)運(yùn)動(dòng)。
本伺服系統(tǒng)中選用Exlar公司生產(chǎn)的GSX50-0601型伺服直線電動(dòng)缸。該電動(dòng)缸由普通伺服電機(jī)和一個(gè)行星滾珠絲杠組成，用來(lái)實(shí)現(xiàn)將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)橹本€運(yùn)動(dòng)。此外，選用Xenus公司生產(chǎn)的XenusTM型伺服驅(qū)動(dòng)器。它可以利用RS．232串口通信方式和外部脈沖方式實(shí)現(xiàn)位置控制。
一般來(lái)說(shuō)，一個(gè)伺服系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)需要配置一個(gè)上位機(jī)，所以本系統(tǒng)采用西門子S7-200PLC作為上位機(jī)控制器。通過(guò)高速脈沖輸出、EM253位置控制模塊、自由口通信三種方式控制伺服電機(jī)運(yùn)動(dòng)。
2、高速脈沖輸出模式
西門子CPU2
4、24XP配置兩個(gè)內(nèi)置脈沖發(fā)生器，它有脈沖串輸出(PTO)和脈沖寬度調(diào)制輸出兩種脈沖發(fā)生模式可供選擇。這兩個(gè)脈沖發(fā)生器的最大脈沖輸出頻率為100kHz。在脈沖串輸出方式中，PLC可生成一個(gè)50％占空比脈沖串，用于步進(jìn)電機(jī)或伺服電機(jī)的速度和位置的控制。
2.1硬件構(gòu)成
圖1為高速脈沖輸出方式的位置控制原理圖?？刂七^(guò)程中，將伺服驅(qū)動(dòng)器工作定義在脈沖+方向模式下，Q0.0發(fā)送脈沖信號(hào)，控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速和目標(biāo)位置；Qo，發(fā)送方向信號(hào)，控制電機(jī)的運(yùn)動(dòng)方向。伺服電動(dòng)缸上帶有左限位開(kāi)關(guān)LIM一、右限位開(kāi)關(guān)LIM+以及參考點(diǎn)位置開(kāi)關(guān)REF。三個(gè)限位信號(hào)分別連接到CPU224XP的I0.
5、0～I(xiàn)0.2三個(gè)端子上，可通過(guò)軟件編程，實(shí)現(xiàn)限位和找尋參考點(diǎn)。
圖1位置控制原理圖
2.2程序設(shè)計(jì)
高速脈沖串輸出(PTO)可以通過(guò)Step7Micro/WIN的位置控制向?qū)нM(jìn)行組態(tài)，也可通過(guò)軟件編程實(shí)現(xiàn)控制。PTO輸出方式?jīng)]有專門的位置控制指令，只有一條脈沖串輸出指令，而且在脈沖發(fā)送過(guò)程中不能停止，也不能修改參數(shù)。為解決以上問(wèn)題，可以設(shè)置脈沖計(jì)數(shù)值等于10(或更小)，并能使脈沖發(fā)送指令PLS處于激活狀態(tài)。這樣，就可以在任一脈沖串發(fā)送完之后修改脈沖周期。
圖2為高速脈沖輸出方式位置控制流程圖?？刂扑悸窞椋和ㄟ^(guò)PTO模式輸出，可以控制脈
6、沖的周期和個(gè)數(shù)；通過(guò)啟用高速計(jì)數(shù)器HSC，對(duì)輸出脈沖進(jìn)行實(shí)時(shí)計(jì)數(shù)和定位控制，以控制伺服電機(jī)的運(yùn)動(dòng)過(guò)程。
圖2位置控制流程圖
3、EM253位置控制模塊
EM253位置控制模塊是西門子S7-200的特殊功能位置控制模塊，它能夠產(chǎn)生脈沖串用于步進(jìn)電機(jī)與伺服電機(jī)的速度和位置的開(kāi)環(huán)控制。
3.1硬件構(gòu)成
如圖3所示為EM253位置控制原理圖，定義伺服驅(qū)動(dòng)器工作在脈沖+方向模式下。P0口發(fā)送脈沖，P1口發(fā)送方向，DIS端硬件使能放大器，并同時(shí)清除放大器錯(cuò)誤。LIM-、LIM+、REF分別為電機(jī)左限位、右限位以及參考點(diǎn)。
7、
圖3EM253位置控制原理圖
3.2程序設(shè)計(jì)
EM253位置控制模塊可以通過(guò)Step7-Micro/WIN進(jìn)行向?qū)渲?，配置完成后系統(tǒng)將自動(dòng)生成子程序，編程簡(jiǎn)單、可輕松實(shí)現(xiàn)手動(dòng)、自動(dòng)、軌跡運(yùn)行模式。由于EM253屬于開(kāi)環(huán)控制，不能很好地反饋電機(jī)實(shí)際運(yùn)動(dòng)情況。因此，利用伺服驅(qū)動(dòng)器本身的差分輸出信號(hào)，通過(guò)伺服驅(qū)動(dòng)器軟件設(shè)置，反饋給PLC，實(shí)現(xiàn)閉環(huán)位置控制。但由于直線伺服電動(dòng)缸與PLE可允許發(fā)送接收信號(hào)存在一定差別，因此，需要對(duì)輸入到PLC的信號(hào)進(jìn)行電平的轉(zhuǎn)化以及降低伺服驅(qū)動(dòng)器發(fā)送的反饋脈沖頻率。PLC對(duì)輸入脈沖進(jìn)行累加，從而得到電機(jī)的實(shí)際運(yùn)轉(zhuǎn)位置與運(yùn)轉(zhuǎn)速度，其脈
8、沖計(jì)數(shù)程序如下。
?、儆?jì)數(shù)器初始化程序
LDSMO.1//首次掃描時(shí)
MOVB16#FC,SMB47//SMB47=16#F4,SMB47為高速計(jì)數(shù)器1的控制字節(jié)
HDEF1，9//將HSC1配置為正交模式
MOVD0,SMD48//設(shè)置HSCI的新初始值為0
MOVD20000，SMD52//設(shè)置HSCI的新預(yù)設(shè)值為20000
HSCI//激活高速計(jì)數(shù)器I
?、诿}沖計(jì)數(shù)程序
LDSMO.0
MOVDHC1，VD600//將高速計(jì)數(shù)器1所記數(shù)值存儲(chǔ)在VD600
9、中
DTRVD600,VD610//VD601〕中的整數(shù)轉(zhuǎn)化為實(shí)數(shù)，存人VD610
/RSOOO,VD610//VD610除以5000存入VD610,5001〕為電機(jī)旋轉(zhuǎn)一周編碼器發(fā)送脈沖數(shù)
*R2.54,VD610//VD610乘以2.54存人VD610,2.54為電機(jī)旋轉(zhuǎn)一周移動(dòng)的距離
4、RS-232串口通信方式
4.1硬件構(gòu)成
西門子CPU22
10、分別作為系統(tǒng)的主從站。PLC控制器通過(guò)該通信功能可實(shí)現(xiàn)對(duì)伺服驅(qū)動(dòng)器進(jìn)行運(yùn)行控制、參數(shù)讀取、伺服驅(qū)動(dòng)器當(dāng)前運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的讀取等操作。
當(dāng)S7-200系列PLC工作在自由口通信模式下時(shí)，一般通過(guò)CPU模塊的集成接口進(jìn)行通信。CPU集成接口采用了PPI硬件規(guī)范，其接口為RS-485串口，因此，當(dāng)S7-200系列PLC的CPU與帶有RS-232標(biāo)準(zhǔn)接口的計(jì)算機(jī)或伺服驅(qū)動(dòng)器連接時(shí)，需要配套選用S7-200PLC的PC/PPI轉(zhuǎn)換電纜或一個(gè)RS-232/RS-485轉(zhuǎn)換器。
4.2PLC與伺服系統(tǒng)通信
4.2.1報(bào)文構(gòu)成
S-200PLC在無(wú)協(xié)議通信方式
11、工作時(shí)，不需要任何通信協(xié)議，通信參數(shù)需要根據(jù)與其進(jìn)行通信的伺服驅(qū)動(dòng)器的通信格式進(jìn)行設(shè)定。本伺服系統(tǒng)選用的Xe-nus伺服驅(qū)動(dòng)器可通過(guò)RS-232與PLC利用ASCII碼進(jìn)行通信，其ASCII碼消息命令格式如下：
<命令代碼><命令具體參數(shù)>
其中：<命令代碼>為一個(gè)單字母代碼；<命令具體參數(shù)>表示電機(jī)所要執(zhí)行的任務(wù)；為一個(gè)回車返回字符，表示命令結(jié)束。如：sr0x2A21表示設(shè)置伺服控制器工作在可編程控制模式。
4.2.2程序設(shè)計(jì)
程序設(shè)計(jì)時(shí)，將伺服驅(qū)動(dòng)器工作定義在可編程位置模式。該模式支持實(shí)時(shí)更改伺服電機(jī)的運(yùn)動(dòng)速度
12、、位置，通過(guò)RS-232接收來(lái)自PLC的ASCII碼命令，執(zhí)行運(yùn)動(dòng)。部分程序如下：
①初始化程序
LDSMO.1//首次掃描
MOVB9,SMB30//設(shè)置自由端口0通信方式SMB30＝9、8位數(shù)據(jù)位、9600、PPI
MOVB188,SMB87//設(shè)置自由端口。接收信息控制5MB87=188
MOVB13，SMB89//設(shè)置自由端口0結(jié)束字符SMB89=13，即結(jié)束字符=
MOVW0,SMW90//設(shè)置自由端口0空閑超時(shí)SMB90=0，信息接收始終處于有效
MOVW200,SMW92//
13、設(shè)置自由端口0信息超時(shí)SMB92=200ms
MOVB255,SMB94//設(shè)置自由端口0接收字符最大數(shù)SMB94=255
ATCHINT_0，9//發(fā)送完成觸發(fā)中斷事件0
ENI//允許中斷
?、诎l(fā)送信息程序
LDNVD3501.1//VD3501.1為接收延遲，自由端口0沒(méi)有處于接收延遲時(shí)
ASM4.5//自由端口0處于空閑狀態(tài)，SM4.5=1
AB＝VB18,7//命令字節(jié)VB18=7，即要求設(shè)置運(yùn)動(dòng)目標(biāo)位置
SCPY"sr0xca'，VB3100//"sr0xca'，復(fù)制到VB
14、3100,"sr0xca'為設(shè)置運(yùn)動(dòng)目標(biāo)位置命令SCATB3600,VB3100//VB360()內(nèi)的目標(biāo)位置值連接到設(shè)置目標(biāo)位置命令后
SCATVB3190,VB3100//VB3190內(nèi)的結(jié)束字節(jié)連接到VB3100后;
XMTVB3100,0//通過(guò)自由端口0發(fā)送命令至伺服驅(qū)動(dòng)器
?、郯l(fā)送完成中斷程序(接收信息)
LDSM0.0//SM0.0總是為1
SSM87.7,1//置SM87.7=1,SM87.7為允許接收信息位
RCVVB3200,0//通過(guò)自由端口0接收信息至VB3200
5、三種控
15、制方式的分析比較
上文分別從硬件結(jié)構(gòu)與軟件編程等方面，詳細(xì)介紹了三種伺服電機(jī)位置控制方式。為了更好地理解這三種方式的差異，我們從軟件與控制結(jié)果的角度作如下分析比較。
?、佘浖幊?
脈沖串輸出方式可以輕松實(shí)現(xiàn)一些簡(jiǎn)單的位置與速度控制，具有硬件要求簡(jiǎn)單、可取代EM253并節(jié)省系統(tǒng)硬件配置等功能。但在編寫較為復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)程序時(shí)(如絕對(duì)運(yùn)動(dòng)需要確定電機(jī)運(yùn)動(dòng)的原點(diǎn)位置)，由于步驟繁瑣，故不能采用該方法加以實(shí)現(xiàn)。
②控制精度
高速脈沖輸出方式和EM253位置控制方式均屬于開(kāi)環(huán)位置控制，它們只負(fù)責(zé)發(fā)送脈沖，但當(dāng)伺服電機(jī)或伺服驅(qū)動(dòng)器出現(xiàn)故障時(shí)，
16、PLC或EM253都沒(méi)得到相應(yīng)的反饋信息，仍然在不斷向外發(fā)送脈沖;而采用通信控制方式則是在每次發(fā)送命令結(jié)束時(shí)，伺服驅(qū)動(dòng)器均會(huì)對(duì)發(fā)送的命令做出應(yīng)答。
③位置控制結(jié)果
伺服電機(jī)的速度等于PLC或EM253的輸出脈沖頻匆電機(jī)每轉(zhuǎn)一圈發(fā)送的脈沖數(shù)，或直接通過(guò)RS-232串口發(fā)送ASCII碼控制。由于S7-200系列PLC(除CPU224XP)高速脈沖輸出口的最高頻率為20kHz,EM253的最高輸出頻率為200kHz,RS-232串口通信控制方式則是發(fā)送ASCII碼設(shè)定運(yùn)動(dòng)速度。因此，對(duì)于要求高速運(yùn)動(dòng)，或高控制精度的伺服驅(qū)動(dòng)器系統(tǒng)，RS-232串口通信控制方式最優(yōu)，而高速脈
17、沖輸出方式則不能滿足要求。
采用高速脈沖輸出控制和EM253位置控制方式時(shí)，伺服驅(qū)動(dòng)器工作在脈沖+方向模式下，而處于通信控制方式時(shí)，伺服驅(qū)動(dòng)器工作在可編程位置控制模式下。高速脈沖輸出方式不能根據(jù)實(shí)際狀況實(shí)時(shí)更改伺服電機(jī)運(yùn)動(dòng)速度與目標(biāo)位置，EM253位置控制方式只能在手動(dòng)模式下實(shí)時(shí)更改速度，采用通信控制方式時(shí)，當(dāng)伺服驅(qū)動(dòng)器設(shè)置電機(jī)在可編程位置控制模式下運(yùn)動(dòng)時(shí)，可通過(guò)RS-232串口發(fā)送ASCII碼命令，實(shí)時(shí)更改速度和目標(biāo)位置。
6、結(jié)束語(yǔ)
高速脈沖輸出方式主要應(yīng)用于對(duì)速度及位置控制精度要求均不高的簡(jiǎn)單位置控制中，從而節(jié)省硬件資源。EM253位置控制方式編
18、程簡(jiǎn)單，它支持高速脈沖輸出、支持線性的加減速功能、提供可組態(tài)的測(cè)量系統(tǒng)，可以使用工程單位如毫米，支持絕對(duì)、相對(duì)和手動(dòng)的位控方式，提供連續(xù)操作。RS-232串口通信方式在三種位置控制方式中最具優(yōu)勢(shì)，它支持閉環(huán)控制，可實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)速度、位置等;但由于伺服驅(qū)動(dòng)器型號(hào)的不同，所以并不是所有的伺服驅(qū)動(dòng)器都支持串口通信方式。
在實(shí)際應(yīng)用中，將EM253位置控制方式應(yīng)用于注塑機(jī)注氣系統(tǒng)中，經(jīng)過(guò)反復(fù)實(shí)驗(yàn)，可實(shí)現(xiàn)手動(dòng)控制、半自動(dòng)控制、全自動(dòng)控制等三種控制方式，編程簡(jiǎn)單。觸摸屏操作界面簡(jiǎn)潔、操作靈活、工作可靠穩(wěn)定。
1.引言
伺服電機(jī)在自動(dòng)控制系統(tǒng)中用作執(zhí)行元件，它將接收到的控制信
19、號(hào)轉(zhuǎn)換為軸的角位移或角速度輸出。通常的控制方式有三種：
①通訊方式，利用RS232或RS485方式與上位機(jī)進(jìn)行通訊，實(shí)現(xiàn)控制；
②模擬量控制方式，利用模擬量的大小和極性來(lái)控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速和方向；
③差分信號(hào)控制方式，利用差分信號(hào)的頻率來(lái)控制電機(jī)速度。
簡(jiǎn)單、方便的實(shí)現(xiàn)對(duì)伺服電機(jī)轉(zhuǎn)速的精確控制是工業(yè)控制領(lǐng)域內(nèi)的一個(gè)期望目標(biāo)，本文主要研究如何利用PLC輸出的模擬量實(shí)現(xiàn)對(duì)伺服電機(jī)的速度較為精準(zhǔn)的控制。
2.控制系統(tǒng)電路
控制裝置選用西門子S7-200系列PLC CPU224XPCN，這種型號(hào)的PLC除了帶有輸入輸出點(diǎn)外。還有1個(gè)模擬量輸入點(diǎn)和1個(gè)模擬量輸出點(diǎn)，這一型號(hào)PLC
20、所具有的模擬量模塊，能夠滿足控制伺服電機(jī)的需要。觸摸屏選用西門子觸摸屏，型號(hào)為TP177B。
具體控制方案如圖l所示，觸摸屏是人機(jī)對(duì)話接口，最初的指令信息要從這里輸入。輸入的信息通過(guò)通訊端口傳送到PLC。經(jīng)運(yùn)算后，PLC輸出模擬量，并連接到伺服控制器的模擬量輸入端口。伺服控制器對(duì)接收到的模擬量進(jìn)行內(nèi)部運(yùn)算，而后驅(qū)動(dòng)伺服電機(jī)達(dá)到相應(yīng)的轉(zhuǎn)速。伺服電機(jī)通過(guò)測(cè)速元件將轉(zhuǎn)速信息反饋到伺服控制器，形成閉環(huán)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速穩(wěn)定的效果。?????????????????
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21、???????????????????????????????????????????????? 圖1 控制方案
方案中的伺服電機(jī)，設(shè)計(jì)工作轉(zhuǎn)速范圍為500～6000RPM，精度要求為±3RPM。
3.控制過(guò)程
在觸摸屏中設(shè)置一個(gè)對(duì)話框，可輸入4位數(shù)值，然后將此對(duì)話框中的數(shù)據(jù)屬性設(shè)置成對(duì)應(yīng)PLC中的整形變量數(shù)據(jù)(如VW310)。目的是當(dāng)在對(duì)話框中輸人數(shù)值后，電機(jī)就能夠達(dá)到與該數(shù)值相同的速度。
PLC輸出的模擬量是0～10V，對(duì)應(yīng)的整形數(shù)據(jù)是0～32000；而伺服電機(jī)的輸入模擬量是0～l0V。對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)速是0-6500 RPM。由于這些數(shù)值都是理論上的，并且最終希望得到
22、的還是輸入值對(duì)應(yīng)上轉(zhuǎn)速即可。因此，模擬量作為中間環(huán)節(jié)僅做參考。需要重點(diǎn)考慮的還是輸入值、整形數(shù)據(jù)和實(shí)際轉(zhuǎn)速。經(jīng)過(guò)直接實(shí)測(cè)，測(cè)試數(shù)據(jù)如表1所示。
???????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 表1 直接實(shí)測(cè)數(shù)值表
????????由表1可看出，輸入值和實(shí)際轉(zhuǎn)速相差甚遠(yuǎn)，而唯一的辦法是通過(guò)運(yùn)算將輸入值轉(zhuǎn)換成能對(duì)應(yīng)上實(shí)際轉(zhuǎn)速的整形數(shù)值。但是還要首先找到最高轉(zhuǎn)速和最低轉(zhuǎn)速對(duì)應(yīng)的數(shù)值。通過(guò)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，對(duì)應(yīng)關(guān)系如表2所示
??????????
23、?????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 表2 實(shí)測(cè)對(duì)應(yīng)數(shù)值表
PLC的模擬量輸出和伺服電機(jī)轉(zhuǎn)速輸出都是線性的，可以根據(jù)表2的數(shù)據(jù)列出直線方程組，計(jì)算出輸入值和整形數(shù)值之間的關(guān)系。
2711＝500×a+b
30854＝600×a+b
解得：a=5117；b=152
設(shè)實(shí)際轉(zhuǎn)速為x，整形數(shù)值為y；那么關(guān)系方程為：
y=5117×x+152
通過(guò)PLC。實(shí)現(xiàn)則需妻用到數(shù)字運(yùn)算指令，
運(yùn)算后，將數(shù)據(jù)直接傳送到模擬量輸出口就完成了轉(zhuǎn)換工作(由于輸出口不接受雙字?jǐn)?shù)據(jù)；所以僅傳字?jǐn)?shù)據(jù)，VB2232即可)。
這樣．就基本上完成了從對(duì)話框輸入速度值，經(jīng)過(guò)PLC運(yùn)算后輸出模擬量。伺服控制器接收到模擬量驅(qū)動(dòng)伺服電機(jī)，伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)速等于輸入速度值的
SIEMENSPLC伺服控制
