基于PLC的高精度伺服控制系統位置檢測

丁惠忠

摘 要： 在惡劣工作環境中，基于PLC控制器的伺服控制系統受高溫、噪聲干擾等因素影響導致位置檢測精度誤差較大，為改善這一問題設計基于PLC的高精度伺服控制系統。系統的控制單元PLC通過連續位置檢測控制、單件位置檢測控制零點校正和通信等過程，利用復合非線性反饋控制律，綜合線性與非線性反饋，向二維工作臺不同方向伺服驅動器輸出脈沖輸出指令，驅動工作臺運行，并帶動CCD相機定位在載物臺中陣列孔中各需要檢測零件的上方，實現定位后觸發相機采集圖像，計算機處理并分析圖像后，通知PLC執行后續的控制過程。實驗結果顯示，該系統位置檢測平均成功率在99.99%以上，位置檢測誤差上限為0.39×10-3 rad，顯著低于對比系統，且在兩種噪聲干擾下的抗噪性能均優于對比系統。

關鍵詞： PLC; 伺服控制; 位置檢測; 復合非線性; 反饋控制律; 超調抑制

中圖分類號： TP27 ? ? ?文獻標志碼： A

Abstract： In harsh working environment， the servo control system based on PLC controller is affected by high temperature， noise interference and other factors， which leads to a large precision error in position detection. To solve this problem， a high precision servo control system based on PLC is designed. System control unit of the PLC is controlled by continuous inspection and control， single location detection zero calibration and communication process， such as using composite nonlinear feedback control law， linear and nonlinear feedback. To comprehensive two-dimensional worktable different directions， servo driver outputs pulse output instructions， driven workbench is running， and drives the CCD camera positioning abovethe array holes in the detecting slide to realize the localization trigger the image acquisition camera， computer processing and analysis of images， and inform the control process of PLC to perform the follow-up. The experimental results show that the average success rate of the systems position detection is over 99.99%， and the upper limit of the error of the systems position detection is 0.39×10-3 rad， which is significantly lower than the comparison system， and the anti-noise performance of the system is better than the comparing system under the two kinds of noise interference.

Key words： PLC; servo control; position detection; compound nonlinearity; feedback control law; overshoot suppression

0 引言

在精密機械制造領域中，需對高精度微型零件實施檢測，當前該領域中使用最為頻繁的檢測技術即利用伺服系統進行檢測[1]。隨著現代工業技術的成熟，產品檢測過程的自動化程度要求越來越高[2]，產品檢測過程作為生產環節的重要組成部分被普遍關注，為提升檢測精度與檢測效率，節約勞動成本，零件分揀過后的位置精確檢測是一個值得關注的問題。

PLC從系統硬件組成角度上分析可定位為一種控制器[3]，其硬件由存儲器、中央處理器等部件共同組成，具有強大的編程、運算、控制功能[4]。PLC多應用于較為惡劣的工作環境中，其硬件組成要求通常較為嚴格。PLC運行在傳統繼電器—接觸器模式中添加了利用存儲器配合CPU工作提升PLC控制功能[5]。但利用PLC進行控制過程中如何提升控制精度是重中之重，因此提出基于PLC的高精度伺服控制系統位置檢測方法，提升伺服控制系統穩態精確度。

1 高精度伺服控制系統位置檢測

1.1 高精度伺服控制系統設計

基于PLC的高精度伺服控制系統結構，如圖1所示。

圖中，計算機作為人機信息交互的關鍵環節，成為系統的主控制器。PLC能夠實現交流伺服電機的控制，是伺服控制系統的控制單元[6]。被檢測物體置于載物臺的陣列孔內，檢測過程中PLC控制交流伺服電機，驅動工作臺進行工作，利用CCD相機檢測載物臺內各被檢測物體上方位置，位置確定后通過CCD相機采集圖像。采集后的圖像傳輸至計算機內，通過計算機進行處理，根據處理結果確定PLC下一步操作過程。

1.2 PLC控制程序設計

連續位置檢測控制、單件位置檢測控制、零點校正和通信等過程是PLC程序的主要組成部分[7]。PLC、伺服驅動器與交流伺服電機分別采用西門子CPU224CN型、松下MINASA4系列和松下MSMD012P1U型。利用PLC進行連續檢測和單件檢測的檢測過程，如圖2所示。

外部脈沖指令輸入與編碼器反饋的方波信號傳輸至伺服驅動器內。PLC在不受CPU掃描式工作模式影響的前提下[8]，利用A端口和B端口輸出頻率上限為20 kHz的高速脈沖輸出指令或脈沖寬度調制指令。利用特殊寄存器SMB56與SMB66控制脈沖輸出功能，脈沖參數設定與脈沖輸出狀態監控分別由SMW57—SMD161、SMW67—SMD161和SMB55、SMB65實現。脈沖速率可分為單段式和多段式兩種模式[9]，利用特殊寄存器在PLC的V存儲區域內設定多段式脈沖不同段內參數，在執行脈沖輸出指令過程中，CPU自主獲取V存儲區域內多段式脈沖不同段內參數并輸出脈沖。

PLC利用復合非線性反饋控制律[10]，通過A端口和B端口分別向工作臺X方向與Y方向驅動器輸出頻率為20kHz的高速脈沖輸出指令。為確保工作臺運動過程的穩定性，系統選取三段式脈沖控制交流伺服電機。

1.3 復合非線性反饋控制律

由表1得到，采用本文系統檢測實驗對象時，位置檢測成功率最高達到100%，平均成功率在99.99%以上，由此說明本文系統的有效性。

實驗為定量驗證本文系統的位置檢測準確度，對比本文系統和基于時間最優控制技術的控制系統進行位置檢測過程中，實驗對象位置檢測誤差對比情況，如圖3所示。

由圖3中的數據可知，采用本文系統檢測不同組別實驗對象位置過程中，位置檢測誤差上限可達0.39×10-3 rad，各組別誤差波動幅度較為平緩。在采用基于時間最優控制技術的控制系統檢測不同組別實驗對象位置過程中，位置檢測誤差上限達到1.68×10-3 rad，并且該系統位置檢測誤差波動幅度較為劇烈。基于PID的控制系統位置檢測誤差處于上述兩個系統之間。實驗結果證明采用本文系統進行位置檢測具有較高檢測精度。

為測試本文系統在位置檢測過程中的抗噪性能，實驗分別對比上述不同系統在高斯噪聲干擾和校驗噪聲干擾條件下的峰值信噪比，如圖4所示。

分析圖4（a）可知，當位置檢測過程存在高斯噪聲干擾時，本文系統與兩個對比系統的峰值信噪比都同信噪比之間呈現正比例關系，即峰值信噪比隨信噪比的上升而上升。在信噪比相同的條件下，本文系統的峰值信噪比始終高于兩個對比系統，當信噪比達到20 dB時，本文系統的峰值信噪比高達28.14 dB，高于對比系統2.05 dB以上。由此可知本文系統與其它兩個系統相比具有更高的高斯噪聲抗噪性。

由圖4（b）得到，當位置檢測過程存在校驗噪聲干擾時，本文系統與兩個對比系統的峰值信噪比都同噪聲強度之間呈現反比例關系，即峰值信噪比隨噪聲強度的上升而下降。在噪聲強度相同的條件下，本文系統的峰值信噪比始終高于兩個對比系統，當噪聲強度為15時，本文系統的峰值信噪比達到最低，僅有18.94 dB，仍顯著高于對比系統。由此說明本文系統與其它兩個對比系統相比具有更高的校驗噪聲抗噪性能。

綜合圖4的實驗結果可知，相較于其他兩個對比系統，本文系統的抗噪性能更優。

3 總結

本文設計基于PLC的高精度伺服控制系統進行位置檢測，通過PLC控制伺服驅動器驅動二維工作臺實現位置檢測，PLC控制單元采用復合非線性反饋控制律，將線性與非線性反饋相結合，分別實現快速的系統響應與超調抑制，以此提升系統位置檢測過程的瞬態性能。實驗結果顯示本文系統位置檢測誤差與抗噪性能均優于對比系統。

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（收稿日期： 2020.04.15）