基于三菱PLC的四軸伺服控制系統設計

陳 驥 余和青 姜貽樟 劉文波 張 鉑

（中國電器科學研究院股份有限公司 廣州 510300）

引言

隨著技術的發展，自動化控制在工業上的需求也變的越來越多，也由于自動技術、工業機器人以及智能制造技術的發展，所涉及到的行業也也來越多。

早期的伺服控制實際上需要用到專用的運動控制器，能夠獨自實現一定功能的運控、工藝技術需求以及人機交互需求。但是隨著PLC的發展，以及PLC在工業上的廣泛使用，市面上許多知名的PLC品牌大都能實現多軸伺服電機的運動控制，實現比較復雜的伺服控制，同時在搭配觸摸屏后，使得人機交互也變得更加友好。

1 控制系統的組成

1.1 控制系統要求

本項目機械部分主體由水平方向X、Y軸運動模組、豎直方向的Z軸運動模組組成，Z軸運動模組上搭配一個繞Z軸旋轉的伺服機構，實現了XYZ的空間平移及繞Z軸旋轉的四自由度運動。因此，該控制系統需達到以下要求：

1）控制系統具有友好的人機交互界面，使得操作性變得更加簡便；

2）控制系統能夠實現不同的運動軌跡，使系統具有很好的柔性；

3）控制系統具備一定程度的靈敏性，能夠對信號有很好的反饋效果；

4）控制系統具有軟限位和硬限位功能，放置系統的運行的過程中對設備造成損壞。

1.2 電氣部分

該控制系統電氣部分由一臺三菱FX系列PLC、四臺A系列三菱伺服放大器、一個三菱觸摸屏和若干電氣元件組成。PLC與伺服放大器的連接示意圖如圖1所示。

PLC需要接入每個伺服軸所對應的左右硬限位信號以及原點位置信號，同時需要將輸出的伺服開啟、伺服復位、伺服脈沖信號以及伺服運行的方向信號給所對應伺服電機的伺服放大器上，從而實現PLC對伺服電機的運動控制功能。PLC信號與伺服放大器信號的連接示意圖如圖2所示。

圖2 PLC信號與伺服放大器信號的連接示意圖

2 伺服參數設置

在使用伺服電機之前，需要對伺服電機的參數進行設置，在三菱伺服電機參數設置的專業軟件MR Configurator2上進行參數設置。將運行模式選擇標準控制模式。如圖3所示。

圖3 伺服放大器運行模式選擇

基本參數設置如圖4所示。其中旋轉方向選擇正轉脈沖輸入時CCW方向或者選擇正轉脈沖輸入時CCW方向均可。編碼器輸出脈沖的相位同樣也是二選一，設置為默認值即可。編碼器的輸出脈沖則根據實際情況設置，當設置為4 000 pulse時，則此時編碼器能分辨電機的最大速度為69 000 r/min，若此時點擊運行速度超過69 000 r/min，則會導致編碼器無法正確輸出脈沖，因此編碼器輸出脈沖不可設置過大。

圖4 伺服放大器基本參數設置

位置控制參數設置如圖5所示。其中到位范圍和到位范圍單位選擇設置為默認值即可。電子齒輪每轉指令輸入脈沖數可根據實際情況而定，每轉指令輸入脈沖數越大，能分辨的最大運行速度就會越小，此時使電機運行一圈需要PLC指令中輸入的數值就越大。指令脈沖輸入形式中的脈沖列邏輯選擇正邏輯或者負邏輯均可，但是脈沖列輸入形式需要選擇有符號脈沖列，否則會導致電機無法正確進行正反轉運行動作。

圖5 伺服放大器位置控制參數設置

設置好伺服放大器參數后，需要對PLC中的高速I/O進行設置，完善PLC對伺服電機的控制邏輯，以及實現所需要完成的控制方式。PLC高速I/O基本參數設置如圖6所示。其中對伺服軸的脈沖輸出模式、伺服電機原點回歸方向、原點信號、伺服加減速時間等參數進行設置。

圖6 PLC高速I/O基本參數設置

圖7則是對伺服軸的PLC高速I/O定位數據參數設置。定位數據的參數主要設置軟元件地址、控制方式選擇。如果選擇插補運行，則需要設置插補的對象軸。定位地址、指令速度、停留時間等參數可以通過對PLC指令中的軟元件地址數據設置來進行修改，因此可以設置為默認值。

圖7 PLC高速I/O定位數據參數設置

3 PLC程序設計

通過GX Work3軟件進行伺服控制邏輯的程序設計，在對參數進行初始化之后，開始進行伺服電機的原點回歸操作，部分原點回歸程序如圖8所示。其中所涉及的軟元件功能如表1所示。

圖8 部分原點回歸PLC程序

表1 部分軟元件功能

X軸、Y軸、Z軸的原點回歸程序基本一致。對于第四軸的旋轉軸原點回歸需要根據斷電之前的狀態來確定，否則就會造成線纜的損壞。第四軸原點回歸程序如圖9所示。其中所涉及的軟元件功能如表2所示。

圖9 第四軸原點回歸PLC程序

表2 軟元件功能表

軸4旋轉角度計算公式如下：

考慮到走線的方式，軸4的旋轉角度不宜過大，需在±360 °之間運行，因此在PLC程序設計上需要明確軸4的軟限位位置，以防旋轉角度過大從而造成不必要的損失。

4 結語

通過PLC程序以及相應的系統參數設計，所得到的4軸聯動伺服控制系統具有很好的控制效果，同時也能實現不同場景下的控制要求。通過PLC來實現邏輯程序設計，搭配觸摸屏來實現人機交互操作，能夠更好、更便捷的對伺服電機的運行軌跡進行修改，從而達到控制的要求。經過不斷的測試，可以發現這套系統具有很好的控制精度，具有很好的實際應用意義，同時該4軸伺服聯動控制系統可以在一定情況下代替4軸工業機器人來實現物料的分揀以及堆垛。