基于LabVIEW的電閉環數控多伺服控制系統設計

王高升，鄧奕，謝騏，關耀奇

(湖南工程學院機械工程學院，湖南湘潭 411101)

基于LabVIEW的電閉環數控多伺服控制系統設計

王高升，鄧奕，謝騏，關耀奇

(湖南工程學院機械工程學院，湖南湘潭 411101)

設計了基于LabVIEW軟件開發平臺的電閉環數控機床多伺服控制系統。利用西門子公司S120變頻驅動模塊，采用共直流母線的電閉環能量反饋系統，通過Profibus總線使S7-300 PLC與S120進行數據交流，同時PLC采集速度/轉矩信號，進行PID閉環控制，用輸出量控制S120逆變模塊，達到精確控制轉速/轉矩的目的。同時S7-300高速串口模塊與上位機LabVIEW軟件系統通信進行數據交換。試驗系統的成功運行，證明了此系統的控制可行性，通過電閉環控制方式可大幅提高電能的利用，對數控多伺服傳動控制系統試驗具有一定的指導意義。

電閉環;LabVIEW軟件;多伺服控制系統;節能

伺服系統是數控機床的組成之一。復雜數控伺服系統的實際使用情況非常復雜，如起步、怠速停車、低速或高速、加速、減速、過載和反轉等［1］，從而使得機床的驅動力和車速在很大的范圍內變化。但由于其本身結構復雜、工作環境惡劣等原因，數控機床的多伺服系統容易受到損害和出現故障［2］。隨著制造業的高速發展，高性能的多伺服數控加工機床使用越來越多，同時對多伺服系統控制要求也越來越高［3－4］。隨著數控機床的日益普及，日常使用中伺服控制系統的故障給人們帶來的影響也越來越大。因此復雜數控機床伺服控制系統的設計也變得尤為重要，尤其是對于多伺服系統的電能利用具有高的要求。

綜上所述，文中提出了采用電能能量反饋循環的方式搭建多伺服控制系統，通過采用西門子S120變頻單元［5］，采用整流與逆變分開，所有逆變模塊通過共用直流母線方式連接在整流單元上，中央CPU總體控制電能的分配和反饋循環［6］利用，從而大大節約了電能，對于長時間的數控機床加工相當有意義。同時通過西門子S7-300 PLC系統對采集來的轉矩/轉速信號進行反饋，構成全閉環的PID控制，從而達到精確控制轉速/轉矩目的［7］。采用圖形化的LabVIEW軟件對其進行上位機開發，可以方便地處理和顯示各種傳感數據及生成報表。

1 數控機床多伺服電氣控制系統

多伺服系統電氣控制原理圖如圖1所示。S120變頻驅動系統通過自身特有的高速通信協議DRIVECLIQ將整流單元以及逆變單元連接到中央控制SU320-CPU中，中控CPU可以控制直流母線電壓，以及能將處于發電機模式產生的電能反饋到電網上供給直流母線其他電動機模式的逆變模塊的利用，從而大幅節約整體系統的電能，逆變單元能控制所輸出電機的轉速和轉矩。同時S120中控CPU通過Profibus網絡可與S7-300 PLC進行高速外界數據交換，進行全閉環的控制。

圖1 電氣控制系統原理圖

S120變頻系統，在大功率試驗時對周邊其他控制系統具有比較大的影響，尤其是其產生的高次諧波的作用，因此在進行實際操前必須對其進行組態測試和仿真分析，選擇電纜、濾波器和電抗器，以使系統正常穩定可靠地運行。利用西門子SIZER軟件可方便實現對S120系統進行組態和仿真分析整個系統。一般一個組態步驟過程可分為以下幾個部分:

(1)對電網進線進行組態;

(2)電機和減速器的設計計算;

(3)傳動部件的組態;

(4)電抗、濾波器和電纜等附件的選型。

通過系統組態，將得到詳細的S120元器件清單、系統技術數據、特性曲線、電網諧波畸變曲線，其組態如圖2所示。

圖2 S120組態

S7-300是德國西門子公司生產的可編程序控制器 (PLC)系列產品，因其具有模塊化結構、易于實現分布式的配置以及性價比高、電磁兼容性強、抗震動沖擊性能好的優點，使其在廣泛的工業控制領域中，成為一種既經濟又切合實際的解決方案。由于其自身有強大的FB41連續模擬控制PID控制功能塊，可用來實現將控制器用作PID固定設定值控制器、或者在多回路控制中用做級聯、混合貨比率控制器。它可以在手動模式和自動模式之間切換。在手動模式下，可調節變量被修正到手動選擇的數值。積分器(INT)內部被設置成LMN-LMN_P-DISV，而微分單元 (DIF)被設置成0，這些都是自動在內部進行匹配的。這樣，切換到自動模式就不會導致調節值的突然變化。其系統工作控制原理如圖3所示。

圖3 連續PID控制原理圖

2 LabVIEW的軟件系統

整個軟件系統采用基于狀態機的模塊化設計，其軟件構件如圖4所示，它主要由數據測量、數據加工、數據存儲、參數控制和參數管理5個部分組成。測量部分主要是完成電機的轉速、輸入扭矩、機床的機械效率、變速器內潤滑油溫度等與控制有關的參數測量。

加工是測控系統必不可少的功能，它可以將各個表面上看起來互不相干、獨立測量到的參數系統地組合起來，變成相互之間有影響、有關聯的數據鏈，從而形成一個相對完整有機數據系統，對系統性能進行總體評價。

存儲是將實驗數據存取到計算機硬盤上以及進行相應的顯示和轉換。

控制主要是實現電機的轉速和轉矩以及溫控儀表的PID參數調節和設置。

管理是實現用戶權限和數據庫的建立，便于日后歷史數據的查詢和歸類等。

軟件整體監控界面如圖4所示。

圖4 軟件系統構架圖

整個軟件系統中，其最重要的就是上位機Lab-VIEW與下位機S7-300 PLC和富士PXR9通信程序的編寫，它直接關系到上位機和下位機系統是否能夠進行數據交換、下位機的信號能否上傳以及上位機的指令能否下達到下位機中。對于S7-300 PLC以及PXR-9溫控通信儀表，都采用MODBUS RTU的通信方式與上位機LabVIEW進行通信，其中最重要的就是十六進制譯碼程序。CRC校驗程序、串口初始化程序;其部分代碼分別如圖5—8所示。

圖5 軟件主監控界面

圖6 CRC校驗程序

圖7 字符串解譯瑪程序

圖8 串口初始化通信程序

3 結論

試驗設計的電閉環數控多伺服控制系統最終成功應用。綜上所述，得出以下幾點結論:

(1)采用共直流母線的S120變頻系統，能夠將處于發電狀態的電能有效反饋到電網進行利用，從而大大節約了電能，對以后數控機床伺服系統的節能設計具有一定的指導意義;

(2)對S7-300 FB41 PID控制模塊控制原理進行了說明，對以后數控操作編程時PID參數的調節起到了一定的指導作用。

(3)設計出了用于PLC通信的LabVIEW RCR、解碼和譯碼程序以及串口通信程序，成功應用于與西門子PLC和富士PXR9通信程序，對以后LabVIEW與第三方通信具有一定的指導意義。

［1］彭天好，樂南更.變轉速泵控馬達系統轉速降落補償試驗研究［J］.機械工程學報，2012，48(4):175 －181.

［2］馬明陽.數控系統可靠性預計及軟件可靠性研究［D］.長春:吉林大學，2012.

［3］張有祿.變速箱疲勞壽命試驗臺的結構特點及選用［J］.機械管理開發，2008(5):35 －37.

［4］ YAMAGUCHI Hiroshi，NARITA Yasushi，TAKAHASHI Hiroshi，etal.Automatic Transmission Shift Schedule Con-trol Using Fuzzy Logic［R］.SAE930674，1993:1077 －1088.

［5］ SIMATIC Statement List(STL)for S7-300 and S7-400 Programming Reference Manual［M］.Siemens AG 2002.

［6］OFFICER Todd M.A Three Dimensional Method for Determining Vehicle Load in a Powershift Transmission Application［R］.SAE952132，1995:1 －6.

［7］王曉，張寶懷.基于labvIEW的熱換器性能試驗裝置測控系統的開發［J］.機械工程學報，2009，45(4):309－312.

Design of Electric Closed-loop Multidrive NC Servo Control System Based on LabVIEW

WANG Gaosheng，DENG Yi，XIE Qi，GUAN Yaoqi
(Department of Mechanical Engineering，Hunan Institute of Engineering，Xiangtan Hunan 411101，China)

Electric closed loop multidrive NC servo control system was designed based on LabVIEW.A Siemens S120 variable frequency drivemodule and a electric closed loop power feedback system on one DC generatrix were used，so S7-300 PLC could exchange data with S120 through Profibus bus.At the same time，speed/torque signalswere collected by PLC for PID closed loop control.Then S120 invertermodulewas controlled by PLC output，toachieve the goal ofaccurate controlon speed/torque.High-speed serialmodule communicated with LabVIEW system host computer for date exchange.The test system runs successfully，and the control feasibility of the system is verified.Utilization of power ismore effectively by using electric closed loop feedback，and it has certain significance to driving control system test.

Electric closed loop;LabVIEW software;Multidrive NC servo control system;Energy conservation

TP27

B

1001－3881(2014)10－187－3

10.3969/j.issn.1001 －3881.2014.10.057

2013－04－22

湖南省教育廳一般項目 (13C179);湖南省科技計劃項目 (2013GK3028)

王高升 (1981—)，男，碩士，實驗師，研究方向為機械設計制造。E－mail:wordok@163.com。

book=10,ebook=206