基于S7—200PLC的伺服電機位置控制系統

王麗平 陳光偉

摘 要：文章設計一個伺服電機位置控制系統，以西門子S7-200PLC為控制單元，通過高速脈沖輸出控制伺服驅動器，驅動伺服電動機帶動機械手運動，利用伺服電機上的編碼器發出的脈沖信號構成位置反饋，從而可以實現機械手的準確位置控制。

關鍵詞：伺服電機；位置控制；高速脈沖

引言

文章是以亞龍YL-335B型自動化生產線為平臺，該生產線中的輸送站是最重要的站點，其主要任務是驅動其抓取機械手裝置精確定位到指定單元的物料臺，在物料臺上抓取工件，把抓取到的工件輸送到指定地點然后放下。文章通過S7-200PLC、伺服電機、伺服驅動器及抓取機械手組成伺服電機位置控制系統，利用PLC的高速脈沖輸出功能，通過PTO編程實現機械手的準確位置控制。

1 伺服電機位置控制系統的硬件設計

1.1 硬件組成

文章設計的伺服電機位置控制系統由PLC、伺服驅動器、伺服電機和抓取機械手等組成，是一個閉環系統。其工作原理是PLC輸出高速脈沖信號給驅動器，通過驅動電機等傳動機構帶動機械手移動，同時驅動電機自帶的編碼器反饋位置脈沖數給驅動器，驅動器對兩種脈沖進行比較并確定偏差，按一定控制規律運算后得到的校正信號作為伺服驅動器中速度控制器的給定，再經電流調節與功率放大，使抓取機械手朝消除偏差的方向運動，從而實現機械手的精確定位。

PLC選用SIEMENS公司的S7-200系列PLC，由于需要輸出高速脈沖驅動伺服電機，PLC采用晶體管輸出型。故選用S7-200-226 DC/DC/DC型PLC。伺服驅動器采用松下MADDT1207003全數字交流永磁同步伺服驅動裝置。抓取機械手裝置整體安裝在直線運動傳動組件的滑動溜板上，在傳動組件帶動下整體作直線往復運動，定位到其他各工作單元的物料臺，然后完成抓取和放下工件的功能。

1.2 伺服電機和伺服驅動器概述

伺服電機內部的轉子是永磁鐵，驅動器控制的U/V/W三相電形成電磁場，轉子在此磁場的作用下轉動，同時電機自帶的編碼器反饋信號給驅動器，驅動器根據反饋值與目標值進行比較，調整轉子轉動的角度[1]。伺服電機的精度決定于編碼器的線數。

交流永磁同步伺服驅動器主要有伺服控制單元、功率驅動單元、通訊接口單元、伺服電動機及相應的反饋檢測器件組成。YL-335B型自動化生產線的輸送單元中，伺服電機用于定位控制，故選用位置控制模式，即通過輸入脈沖串來使電機定位運行，脈沖串頻率決定電機轉速，即機械手的運動速度；脈沖數量決定電機的旋轉位移，即機械手的直線位移。伺服驅動器的參數可采用自動增益調整模式在驅動器的面板上進行設定。

1.3 硬件接線圖

伺服電動機、伺服驅動器和PLC的電氣接線包括：伺服驅動器主電源和控制電源接線、電機接線U、V、W和PE；伺服電機的光電編碼器與伺服驅動器編碼器接口X6的接線；PLC控制器與伺服驅動器I/O接口X5的接線。硬件接線圖如圖1所示。

圖1 硬件接線圖

2 程序設計

2.1 控制要求

要求按下啟動按鈕，伺服電機拖動機械手從供料站移動到加工站（470mm），再從加工站到裝配站（286mm），再從裝配站到分揀站（235mm），然后反方向退回原點；按下急停按鈕或者碰到兩端限位開關及原點開關時機械手停止運行。

2.2 PTO的認知與編程

SIEMENS公司S7-200PLC可提供2個內置高速脈沖發生器，可以通過PLC的Q0.0或Q.1輸出端產生高速脈沖，用來驅動伺服電動機實現速度和位置控制。高速脈沖的輸出有兩種方式，脈沖串輸出（PTO）和脈寬調制輸出（PWM）。文章是對伺服電機進行位置控制，故選用PTO方式，將Q0.0設定為PTO功能，輸出一串占空比為50%的脈沖，通過控制脈沖周期和數量來控制電機的轉速和轉角，從而對機械手進行位置控制。

S7-200PLC的PTO編程有三種實現方法：PLS指令編程，脈沖輸出指令編程和STEP7-MicroWIN提供的位置控制向導編程[2]。使用STEP7-MicroWIN位置控制向導，可以幫助用戶在很短的時間內全部完成PTO組態。

在使用位置控制控向導之前，首先要清楚伺服電機的運動包絡，根據控制要求需配置4個移動包絡。供料站到加工站，470mm，脈沖量為85600；加工站到裝配站286mm，脈沖數為52000，裝配站到分揀站，脈沖數為42700；從分揀站返回原點，反向運行，直至碰到原點開關。文章中前三個包絡為相對位置模式，第四個包絡為單一速度的連續轉動模式。

PTO向導配置步驟：（1）在菜單中選擇“工具”→“位置控制向導”命令，并選擇配置PTO/PWM操作。（2）指定一個脈沖發生器：選擇Q0.0。（3）選擇 PTO方式。（4）指定電機速度：電機最高速度（MAX_SPEED）設為90000，電機啟動/停止速度（SS_SPEED）為 600。（5）設置加速和減速時間：加速時間設為1500ms，減速時間設為200ms。（6）配置移動包絡：設置操作模式、目標速度、結束位置等指標。（7）指定包絡數據的V內存地址：VB75-VB300。

運動包絡組態完成后，向導會生成子程序，主要包括子程序PTO0_CTRL、PTO0_RUN、PTO0_MAN等。PTO0_CTRL子程序用于啟用和初始化伺服電機的PTO輸出；PTO0_RUN子程序用來命令 PLC執行存儲在組態/包絡表中的指定包絡運動操作。

調用位控向導生成的子程序，進行程序編寫，把每一個運動包絡的完成信號作下一個運動包絡的啟動信號。程序編寫好后，將其下載到PLC中，按下啟動按鈕，抓取機械手就會按照預先設定好的運動包絡進行移動，當機械手碰到左右限位開關，則PLC停止輸出高速脈沖，機械手減速停止移動。

3 結束語

文章設計的伺服電機位置控制系統，在YL-335B自動化生產線上經過測試，能夠實現機械手的準確位置控制。這種位置控制系統結構簡單，抗干擾能力強，定位精準，充分發揮了PLC和伺服驅動單元各自的優勢，能夠滿足位置控制的性能要求，具有良好的應用前景。

參考文獻

[1]顧德仁.基于PLC 的電梯高精度位置控制的實現[J].微計算機信息（測控自動化），2007（23）：61-62.

[2]梁新平.基于PLC的自動線機械手位置控制系統設計[J].電子設計工程，2014（7）：86-87.