基于工業觸摸屏的伺服電機控制系統研究

摘 要：介紹了系統中工業觸摸屏，伺服電機和PLC的選用情況，闡述了伺服電機控制系統的構成和功能，著重分析了工業觸摸屏控制伺服電機的工作原理，工業觸摸屏作為新型人機界面，界面友好，應用日趨廣泛。

關鍵詞：工業觸摸屏；可編程控制器；伺服電機；人機界面

1 系統構成

系統主要由HMI（人機界面）、PLC（可編程控制器）、伺服驅動器、伺服電機和輸送帶組成，見圖1。

圖1 系統構成圖

伺服電機選用松下的MHMD022P1U永磁同步交流伺服電機。伺服電機是系統運動的執行單元，負責對外輸出動力。交流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。

PLC選用西門子200系列PLC。PLC作為控制單元，是整個系統的控制核心，考慮到伺服電機的控制要求，選擇S7-200-226 DC/DC/DC作為控制單元，該型號的PLC可以生成高速脈沖串，實現對伺服電機的控制。

工業觸摸屏選用昆侖通泰的TPC7062K。工業觸摸屏主要用于監控系統狀態，界面上面的虛擬按鈕可產生相應的信號傳輸給PLC，PLC進一步控制伺服電機。它同時實現對伺服電機的轉向、轉速和行程的監控。

2 系統運行要求

輸送帶在伺服電動機帶動下從原點開始向右運動服，先運動470mm，停止運行10s；再向右運行286mm，停止10s；然后高速回零，向左運行600mm；最后低速返回零點。

3 控制系統的工作原理

工業觸摸屏的組態在MCGS組態軟件上編輯，通過軟件元件庫的元件調用，可以快速地設計出所需組態。組態從PC下載到工業觸摸屏，即可使用。工業觸摸屏與PLC通過RS-485通信電纜連接可實現信息互通。

3.1 工業觸摸屏控制伺服電動機

圖2 HMI控制伺服電機原理圖

通過手指觸摸HMI上的啟動按鈕開關，工業觸摸屏存儲器中的數據對象的數值由“0”變“1”，觸摸屏的這一變化通過數據線傳遞到PLC，PLC中的I區中對應的存儲單元的數值也由“0”變“1”，PLC根據這一數據的變化發出啟動伺服電機的指令。如圖2所示。

3.2 工業觸摸屏監視伺服電動機的運行情況

輸送帶運動方向和運動距離由光電編碼器進行檢測，光電編碼器產生的高速脈沖，由PLC的高速計數器進行計數，計數的結果和旋轉方向存儲在PLC的D區，D區的數值通過數據線上傳到工業觸摸屏的存儲單元中，當數據對象的數值發生變化時，對應的人機界面中的位置顯示滑塊同步發生移動，實時顯示輸送帶的位移。

4 系統設計

4.1 工業觸摸屏組態設計

在組態軟件上創建一個主頁面，利用工具庫中繪圖工具，繪制出伺服電機、驅動器、PLC、觸摸屏的圖形，同時從元件庫中調出啟動，停止和急停觸摸按鈕，再從元件庫中調出顯示輸送帶位置的滑塊，用字符串對按鈕進行標注和說明。

4.2 PLC程序的設計

PLC的梯形圖是在西門子編程軟件上完成的，梯形圖的設計要結合觸摸屏畫面的設計進行考慮。通過編程軟件的位置控制向導，可以方便地生成控制伺服電機的子程序，然后根據需要調用子程序，通過這種方式控制伺服電機，大大降低了編程的難度。PLC作為系統的控制核心，負責伺服電機運動的控制和光電編碼器的脈沖計數。PLC的Q0.0產生脈沖串驅動伺服電機運動，Q0.1控制伺服電機的旋轉方向。光電編碼器生成的AB兩相脈沖分別接到I0.0和I0.1上，由PLC實現高速計數和旋轉方向的判定。

4.2.1 控制電機的轉動

松下伺服驅動器由7種控制運行方式，即位置控制，速度控制，轉矩控制，位置/速度控制，位置/轉矩控制，速度/轉矩控制，全閉環控制。本系統選用“位置控制”方式，利用PLC控制驅動器，PLC的Q0.0和Q0.1分別控制電機的轉動角度和轉動方向[1]。當Q0.1的電壓為高電平時，電機正轉，反之則反轉；當Q0.0產生一個脈沖時，電機伺服電機轉動一步。轉動速度由Q0.0輸出脈沖的頻率決定，頻率越高，速度越快[2]。

4.2.2 高速計數器

西門子S7-200PLC具有內置高速計數器，對光電編碼器返回的輸入脈沖進行高速計數。光電編碼器返回的脈沖A相和B相分別接到PLC的I0.0和I0.1端子上，采用第9種計數模式，選用計數器HSC0進行計數，計數倍頻為4倍頻。由于系統簡單相對，可以不考慮中斷子程序，和預置值等。

計數程序使用編程向導，很容易自動生成符號地址為“HSC_INIT”的子程序。如圖4所示。在主程序塊中使用SM0.0（上電首次掃描ON）調用此子程序，即完成高速計數器定義并啟動計數器。

參考文獻

[1]王麗平.基于西門子PLC的兩種位置控制方式分析[J].機電信息，2016（3）：90-91.

[2]周彬.基于S7-200 PLC的位置控制系統構建[J].產業與科技論壇，2014（9）：60-62.

作者簡介：李瑞鋒（1979，4-），男，河南安陽，陜西航空職業技術學院，機電工程師，碩士研究生，主要研究方向：機械電子工程。