基于FX3U和觸摸屏的三軸伺服控制系統設計

(廣東石油化工學院機電工程學院，廣東茂名525000)

0 引言

三軸伺服控制在運動定位控制系統中具有很強的通用性和適用性，它憑著定位精度高，響應快，適應性強，穩定性好等特點，在機床等大型設備和智能化、數控化中小型設備中得到廣泛應用[1]。PLC控制系統是在傳統的順序控制器的基礎上引入了微電子技術、計算機技術、自動控制技術和通訊技術而形成的一代新型工業控制裝置，它取代繼電器、執行邏輯、記時、計數等順序控制功能，建立柔性的程控系統，它具有編程簡單、通用性強、適應面廣、可靠性高、抗干擾能力強以及能在惡劣的工業環境下長期工作等顯著特點，已廣泛應用于工業自動化控制的各個領域[2]。本文通過以FX3U系列PLC為系統控制核心，以觸摸屏為人機交互設備，設計一款功能精簡、操作簡單、經濟實用、性能穩定的三軸伺服控制系統。

1 控制系統構成

控制系統的構成如圖1所示。觸摸屏作為系統的操作界面，具有對系統的操作、設置和調試功能，實現對伺服系統運行狀態進行實時監控，控制核心選用FX3U系列PLC，它有內置獨立三軸定位功能，通過與伺服驅動器和伺服電機連接，組成了X、Y、Z方向三軸伺服定位控制系統[3]。

圖1 系統構成原理圖

本控制系統的PX3U系列PLC是三菱公司開發的第三代微型可編程控制器，它內置高達64K大容量的RAM存儲器，內置業界最高水平的高速處理0.065μs/基本指令，控制規模：16～384(包括CC-LINK I/O)點，除了浮點數、字符串處理指令以外，還具備了定坐標指令等豐富的指令，內置獨立3軸100kHz定位功能(晶體管輸出型)，使用基本單元(晶體管輸出型)的輸出端子時，3軸(Y0～Y2)可輸出最大100kHz的開路集電極脈沖串，可同時控制三軸伺服電機或步進電機，輸出形式為脈沖+方向[5]。

選用三菱MR-J3系列通用交流伺服驅動器，它配備分辨率為262144脈沖/轉絕對位置編碼器(支持ABS模式)的伺服電機，采用三菱HF-MP系列伺服電機，構成了絕對位置檢測系統，可進行高精度控制。系統具有很高的響應性、高水平自整定功能和高級振動抑制控制功能。其控制模式有位置控制，速度控制和轉矩控制，廣泛用于需要高精度位置控制和平穩速度控制的場合，如機械加工設備和一般工業機械等需要高精度位置控制和平穩速度控制的應用，也可用于線性控制和張力控制的領域[5]。

MR-J3系列伺服驅動器具有USB和RS-422串行通訊功能，通過伺服設置軟件MR-configurator就能進行參數設定，試運行，狀態顯示監控和增益調整等操作，還可進行精確的機械分析。

PLC本身不具備人機交互功能，在工藝參數較多，需要人機交互時，配合使用具有觸摸操作和通信功能的人機界面就是一種很好的選擇。本系統采用的WEINVIEW MT8000系列人機界面，是臺灣威綸科技研發的新一代高品質觸控式工業用的人機界面產品，采用色彩高達65536色的TFT LCD液晶顯示屏，有3個COM接口，可輕易組網、同時連接多臺PLC及控制器等，支持一機多屏和一屏多機功能，支持以太網資料上下載及遠程監控，支持歷史數據、故障報警等功能，有強大的宏指令功能，可進行復雜邏輯和數學運算，是完美操控遠程HMI，使用EasyBuilder8000編輯軟件，可完成復雜的人機界面設計。

2 三軸伺服驅動系統設計

根據PX3U內置獨立3軸定位功能，從Y0～Y2輸出開集電極式的脈沖串，構成控制X、Y、Z三軸的伺服定位系統，其脈沖+方向組合為：X軸(Y0+Y4)；Y軸(Y1+Y5)；Z軸(Y2+Y6)[6]。按照三菱公司的FX3U·FX3UC用戶手冊(定位控制篇)，可根據不同控制工藝要求來選定PLC的型號和連接方式，這里采用一個典型的連接方案，PLC采用FX3U-16MT基本單元、FX2N系列PLC的16點數字輸出模塊FX2N-16EYT和16點輸入擴展模塊FX2N-16EX-ES/UL，他們分別與X、Y、Z三軸伺服驅動器相連接，三軸伺服驅動連接端口分配情況如表1。其中X軸脈沖輸出Y0，方向信號Y4；Y軸脈沖輸出Y1，方向信號Y5；Z軸脈沖輸出Y2，方向信號Y6，將擴展模塊3個輸出口Y21～Y23和3個輸入口X31～Y33，與伺服驅動器相應功能端口相連接，通過PLC相應控制指令就可以讀取絕對位置值和定位驅動控制。圖2是PLC與X軸伺服驅動器連接圖，X、Y軸與驅動器的連接可參考表1實現。

圖2 PLC與X軸伺服驅動器連接圖

表1PLC與伺服驅動器三軸連接端口分配情況表

信號名稱X軸Y軸Z軸脈沖串Y000Y001Y002方向Y004Y005Y006清零信號Y020Y024Y030零點信號X004X005X006伺服準備好X014X015X016ABS(bit0)X031X035X061ABS(bit1)X032X036X062發送數據準備完成X033X037X063伺服ONY021Y025Y031ABS傳送模式Y022Y026Y032ABS請求Y023Y024Y033

3 系統軟件設計

3.1 PLC伺服控制系統軟件設計

PLC輸出控制脈沖和方向信號，伺服驅動器將接收到的信號處理后輸出控制伺服電機，控制伺服系統移動的速度和位移值，同時電機編碼器將檢測到的實時位置等信號發送回驅動器，形成系統的半閉環控制，實現對電機扭矩和位移的精確控制。

MR-J3系列伺服驅動器參數設置包括基本設定參數、增益濾波器參數和擴展設定參數的設定[7]。本系統為位置控制模式，只需設定基本設定參數(PA00～PA19)，如表2，主要的參數有控制模式、絕對位置檢測系統、伺服電機旋轉一周所需的指令脈沖數等，按照具體要求設定好各參數值。

表2MR-J3系列伺服驅動器主要的基本設定參數表

參數NO.參數名稱PA01控制模式PA03絕對位置檢測系統PA05伺服電機旋轉一周所需的指令脈沖數PA06電子齒輪分子(指令輸入脈沖倍率分子)PA07電子齒輪分母(指令輸入脈沖倍率分母)PA11正轉轉矩限制PA12反轉轉矩限制PA13指令脈沖輸入形式選擇PA14轉動方向選擇PA15編碼器輸出脈沖

PLC定位控制程序包含設定用的程序、執行定位用的程序等，其中設定用的程序包括最高速度、基底速度、原點回歸速度、爬行速度、加速時間、減速時間等(速度與時間項目)參數的設定和近點信號邏輯、加減速動作、中斷信號邏輯、正反轉邏輯(動作標志位)的設定等程序，主要是通過程序對定位功能有關的特殊輔助繼電器，特殊數據寄存器賦值，實現系統初始化設置；執行定位用的程序包括原點回歸，JOG運行，正/反傳方向定位和執行具體的移動定位等程序，使用的指令有：ABS讀取當前絕對位置值，ZRN機械原點回歸，DSZR帶DOG搜索的原點回歸，DRVI相對單速定位，DRVA絕對單速定位，PLSV可變速運行等指令，可以實現回原點、點動控制、絕對/相對位置定位、定點定位等功能。也可以使用PLC內置TBL表格定位功能，預先通過GX Developer軟件在定位表格中設定各脈沖數和頻率，實現比較復雜移動定位任務，簡化程序編寫。

3.2 人機界面設計

首先在電腦上安裝觸摸屏EB8000軟件，點擊Project Manager 上的 EasyBuilder8000進入軟件的編程界面，建立新的項目文件，選擇好機型和顯示模式，設置系統參數，包括選擇PLC類型和通訊參數的設置，完善多個監控界面的編輯設計與各元件布置，選擇各元件正確的屬性，建立與PLC相應輔助繼電器、數據寄存器等的鏈接，然后進行程序的編輯保存、編譯，最后模擬運行，調試正確后把程序下載到觸摸屏[8]。

圖3 觸摸屏手動監控界面

通過設計編制精美的觸摸屏操作面板，可在線對系統各項工藝參數進行設置、修改和監視，從而實現對系統進行實時監控。本系統監控界面的編輯設計，可以根據系統工藝和控制要求，設計多個操控界面，如顯示系統使用狀態、故障報警等信息以及能進行相應調試處理的信息界面，進行系統有關工藝參數的參數設置界面，能對伺服定位程序有關輔助繼電器和數據寄存器進行賦值、自動運行的啟動與停止等功能的運行界面，其中圖3是手動監控界面，界面含有X、Y、Z三軸的實時位置的顯示、手動移動操作按鈕和手動回零按鈕。

4 結束語

介紹了利用三菱PX3U內置獨立3軸定位功能和MR-J3系列伺服驅動器設計的三軸伺服控制系統，配備MT8000系列人機界面，經濟實用，可靠性高，操作簡單，性能穩定。系統人機界面友好，具有一定的通用性、適應性、擴展性，本方案稍作調整便可在許多功能相類似的不同場合得到推廣應用。