基于PLC的伺服電機運動控制系統設計

靳永周

摘要：近年來，PLC技術發展迅速，被廣泛應用在各生產領域中，極大地提高了生產領域的自動化水平，尤其在伺服電機運動控制中的應用，使得對電機運動的質量及水平大大提高。鑒于此，文章對基于PLC的伺服電機運動控制系統設計進行了探討。

關鍵詞：PLC；伺服電機；運動控制；系統設計；自動化 文獻標識碼：A

中圖分類號：TP206 文章編號：1009-2374（2017）06-0006-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2017.06.003

基于PCL伺服電機運動控制系統設計需要考慮很多專業內容，尤其需要對PLC以及伺服電機的工作原理有一個清晰的認識與了解，在此基礎上從整體上進行規劃，明確各模塊的功能，進行針對性設計，保證設計工作的順利高效完成。

1 設計所用的裝置介紹

為保證基于PLC的伺服電機運動控制系統設計工作的順利實現，設計中應明確所用裝置與性能，本文使用以SGDV-2R8A01A為驅動模塊的伺服電機，使用艾默生EC10系列的PLC以及A/D、I/O擴展模塊，并使用信捷人機界面。其中伺服電機、驅動以及PLC相關參數如表1所示：

2 電機控制方式的實現

借助PLC技術實現對伺服電機運動的控制，主要從脈沖量、模擬量角度，實現對位置以及對電機速度的控制，其中控制速度需兩個成比例的模擬量輸出，即利用PLC對D/A模塊配置，實現數據的轉換與處理，將對應的模擬電壓值輸出向電機的伺服模塊中輸入，以匹配速度，要想了解電機的位置信息，可通過分析伺服模塊中的脈沖信息獲得，即將獲得的脈沖信息實現向位置信息的轉化即可。不過，此種控制方式雖能夠實現，但需要較多數量的I/O模塊。與速度控制相比，匹配速度及定位實現相對簡單：伺服模塊接收到指令脈沖信息后，進行相關的轉化，對電壓電流的輸出情況進行控制，實現對電機的驅動。與此同時，通過伺服驅動模塊脈沖頻率和數量，便可控制電機速度和旋轉量。考慮到PLC具備位置控制指令集，因此不接收位置反饋，也可實現對脈沖數量的計算，即在PLC對電機繞線關系以及頻率關系正確處理的基礎上，通過脈沖信號的發送，促進雙機彼此之間的相互配合，這一過程的實現難度較小，當對完全閉環加以控制時，需要對電機端的脈沖進行計數，如此便能很好地掌握電機端是否很好的完成脈沖指令。另外，因程序處理耽擱一定時間，需采取針對性相關措施。本文運用位置控制方式對伺服電機運動控制系統進行設計。

3 單雙電機控制的實現

利用繞線機伺服系統，靈活控制伺服電機運動情況及狀態，并關聯控制相關參數，為雙電機的控制奠定基礎。總之，在設計控制模塊時，確保對單電機各種功能的控制是整個設計工作的關鍵。

3.1 單電機的控制

單電機控制的實現依賴于PLC位置控制指令，本文應用的PLC擁有PLSV指令、DRVI指令、DRVA指令，其中PLSV指令為變速運行指令，隨著時間的變化指令的速度處在不斷變化中，控制實現方式較為靈活，不過不能實現定位。DRVI控制相對位置，對定位操作執行時，一旦速度值變化需將指令關斷一周期才能生效。DRVA控制絕對位置，定位期間電機速度不發生變化，當完成定位操作后，電機便停止，并等待下個指令。本系統設計時，主控運行指令使用PLSV，為保證主控運行的順利進行，DRVI、DRVA主要用于對主控運行的輔助，并在暫停狀態下，對電機進行微調和相關的定位操作。

在對控制分工詳細了解的基礎上，搭建控制程序。一方面，運行的控制實現。即，將程序啟動，將啟動按鈕按下實現對起繞點的定位操作，而后將其暫停；對運行按鈕進行再次按下操作，電機便在起繞點至終點之間來回的往返；當暫停按鈕被短按時，電機逐漸停止運行；讓電機重新運行，需再次將運行按鈕按下；當電機處于停止狀態時，延長按下暫停按鈕的時間，電機復歸，重新回到零點。另一方面，調整操作。使用兩個點動按鈕，便可點動控制處于暫停狀態下的電機，促使電機完成反向與正向點動操作。編寫PLC梯形圖像程序時，對點動速度、運行期間的速度、定位期間的速度、終點脈沖數、起點脈沖數進行事先設定，結合伺服模塊中單圈脈沖數、齒數比，并可對電機在不同模式下的轉速情況。另外，需要借助寄存器SD80進行換向，在該寄存器脈沖端口作用下，并接受相關指令后，實現對脈沖數的計數計算，而后對比起點和終點的脈沖數量，做出相關的判斷。當SD80超過邊界時，比較指令便被激發，進行換向操作，取反PLSV脈沖操作數，完成轉向（如圖1所示換向流程）。

控制單電機時需熟練掌握PLC相關知識，熟練應用各種定位指令。同時，注重概念設計思路的考慮，做好對電機運行流程的深入研究，為雙電機控制及調試工作的實現做好鋪墊。

3.2 雙電機的控制

雙電機控制的實現需增加I/O數量，本文使用的PLC主模塊擁有的接口數量無法滿足相關要求，因此需要使用擴展模塊。本文使用旋鈕式變阻器，通過點電壓的調節實現對電機運行速度的控制。同時主模塊無法處理模擬量，需使用A/D轉換模塊進行轉化。如此將變阻器上的電壓借助模數實現向數字量的轉化，PLC處理數字量進行相關的輸出。不過位置控制模式下可對反向的D/A進行轉換。

同時控制雙電機時的控制復雜性會得以提高，尤其需解決兩組電機運行狀態與速度的關聯性，為實現對速度的匹配，需要設計位置系統。為確保速度匹配功能的順利實現，應設計其中一個電機為主電機，A/D轉化數據直接作用于該主控電機，為保證兩組電機運行的同步，需利用PLC對從動電機的運行信息進行監控。在對運行程序進行設計時，需深入分析排線電機和從繞線電機的運行規律，為更好的實現匹配功能奠定基礎。不過兩電機速度的匹配受線寬影響，繞線電機與排線電機速度的匹配應滿足：設定線寬/絲桿節距=排線電機轉速/繞線電機轉速。對位置系統進行設計時，應以排線電機當作主導，與此同時，利用PLC中設置的程序，對該電機的位置寄存器進行監控，并注重絕對位置系統的設計。另外，需要注意的是，為計算繞線匝數，位于繞線電機上的寄存器可進行數字的累加。

雙電機運行系統具備正常運行及轉向功能的同時，還能通過操作控制連續、單步，使得繞線機運行靈活度得到明顯提高。單步/連續控制的實現：換向操作時安裝單步/連續控制開關，開關未啟用時系統處在連續不斷的運行當中，進行轉化操作仍不會對運行造成影響。將開關開啟后，并進行換向操作，系統停止運行，按下運行鍵系統恢復正運行狀態。繞線機進行單獨運行時，需要對線圈某些區域的加固層進行加強操作時，應制動排線機，將其處于暫停狀態，在預定的位置允許其繞線，尤其為實現選擇功能時可安裝一些開關。當手動對運行方向進行控制時，在某些條件下，需屏蔽預設的邊界，尤其當排線電機的繞線作業處在寬幅外時，將不能對其進行自動換向操作，需要依靠手進行向右/向左運行的控制，以對一些繞線動作進行處理。按照上述思路，對雙電機運行模塊進行控制，具體流程如圖2所示：

4 系統的啟動與停止

配置EC10系列的PLC時，可對輸入點的開機模式進行配置，對輸入點的開機模式進行選擇，并在X0～X7中確定一個當作啟動PLC的開關。進行程序設計時，可將啟動開關設置為X7。PLC與電源接通后，不按下X7時，PLC在待機狀態下，當按下X7時，PLC對X0進行掃描發現存在OFF向ON的變化時，開始運行PLC程序。

當激活系統中的STOP指令時，PLC程序暫停運行。系統停止運行在程序中有兩種表現：繞線流程結束，系統便停止。繞線期間因中斷而停止，當然系統緊急停止時應屬于后者。為確保后者停止的可靠性，當X7由ON向OFF跳變時程序被觸發停止，并進行適當的延時保存數據信息，為下次程序運行做鋪墊。另外，設計系統時，X7設計成能夠控制支路能流的開關，當X7為OFF時，程序中的指令均不能運行，一定程度上降低了程序運行的故障發生率。為及時發現該系統設計中出現的問題，待各模塊設計完成后需進行調試處理，通過對本系統調試結果來看，系統的繞線機性能與理論折算值之間的誤差較小，分析原因可能因程序編寫過程中一些細節處理得不到位，或受硬件電磁兼容性的影響，需在進行認真分析后進行適當的優化與處理。

5 結語

基于PLC伺服電動機運動控制系統設計應用較多專業知識，需在認真研究設計需求的基礎上，加強各設計環節的探討，為設計工作的順利開展奠定基礎。本文通過研究得出以下結論：（1）本文設計的基于PLC伺服電動機運動控制系統，應用的硬件主要有伺服電機、對應的驅動模塊、PLC以及相關的擴展模塊等；（2）設計過程中在對所用裝置性能充分了解的基礎上，明確設計工作的重點，本文尤其對伺服電機的控制方式、單雙電機控制以及系統的啟動與停止進行重點探討；（3）在對各模塊設計完成的基礎上進行調試運行，發現一些小問題需要進一步的研究與優化，總的來看，設計的伺服電機運動控制系統基本滿足設計要求，而且可為今后一些設計工作的開展提供參考。

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（責任編輯：黃銀芳）