基于PLC設計的伺服軸和步進軸的同步跟隨運動系統(tǒng)

王 鈺

（天津職業(yè)技術師范大學，天津 300222）

1 技術背景

同步跟隨運動中的響應時間、速度和穩(wěn)定性等指標，對于目前的工業(yè)要求十分重要。傳統(tǒng)的通過機械總軸的剛性連接實現(xiàn)運動控制的方法存在操作復雜、學習和維修困難、精度差以及難控制等缺點，無法達到目前的工業(yè)需求。隨著電子控制技術的發(fā)展，用電子控制的方法代替?zhèn)鹘y(tǒng)機械控制的方法已經成為主流，因此可編程邏輯控制器（Programmable Logic Controller，PLC）被廣泛應用于機器運動控制等多個領域。

PLC是針對工業(yè)應用產生的一種用于數(shù)字運算操作的可編程邏輯控制器，能夠將編輯好的程序儲存在內部存儲器中，通過一系列指令進行邏輯計算，從而將指令傳達到機器進行操作。電磁脈沖信號作為一種常見的輸入輸出模式，主要通過PLC發(fā)射不同形式的脈沖，再經過信號轉換器轉換為不同的線角位移，從而實現(xiàn)電機的精確角度和位移控制[1]。因此，基于PLC研究多軸同步跟隨運動控制系統(tǒng)，在工業(yè)現(xiàn)場具有良好的應用價值。

美國數(shù)字設備公司在1969年率先研發(fā)出第一臺PLC并將其成功應用于通用汽車的自動裝配線上，隨后日本、德國也分別于1971年和1993年研制成功并生產使用[2]。西門子作為一家歷史悠久的電氣設備生產企業(yè)，在世界自動化應用領域占據(jù)重要地位。西門子企業(yè)在研制出第一臺SIMATICS4的PLC后，繼續(xù)研發(fā)出S3～S7等多個系列的產品。目前，主流的PLC為S7系列，其網絡通信能力強，控制器可靠性高，且在標準化的基礎上具有體積小和速度快的優(yōu)點。

2 同步跟隨運動系統(tǒng)組成

本系統(tǒng)利用兩臺PLC進行操作，分別負責兩臺伺服電機軸和一臺步進電機軸的運動控制。兩臺PLC通過PROFINET進行連接，其中負責伺服電機軸運動的PLC1為主控制器，并通過Ethernet與上位機進行交互，負責步進電機軸運動的PLC2為從控制器。系統(tǒng)功能簡圖，如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)功能簡圖

同步跟隨運動系統(tǒng)采用目前主流的西門子S7-1200 PLC控制器，能夠通過脈沖輸出和方向輸出分別實現(xiàn)驅動器對伺服軸或者步進軸的動力控制和行進方向控制。該PLC可以通過PROFINET接口快速地根據(jù)要求發(fā)送操作所需要的參數(shù)指令，從而精準控制操作位置。系統(tǒng)采用主從式結構的同步系統(tǒng)，利用PROFINET方式實現(xiàn)主軸和從軸間的同步運動。

3 同步跟隨運動系統(tǒng)的工作原理

為便于遠程控制，上位機采用具有Ethernet網口的上位系統(tǒng)，并與主控制器進行數(shù)據(jù)和功能的轉換和連接。主控制器控制著輸入/輸出（Input/Output，I/O）設備和兩臺伺服電機的運動操作。從控制器控制著步進電機的運動操作，并與主控制器進行數(shù)據(jù)轉換。主控制器在啟動后，一方面會將輸出的脈沖信息解碼轉換成速度指令控制伺服電機軸運動，另一方面會將解碼后的速度轉碼成指定的脈沖信息，并通過從控制器傳遞給步進電機軸，使步進電機軸跟隨著伺服電機軸同步運動，從而實現(xiàn)多電機同步跟隨運動。運動控制流程如圖2所示。

圖2 運動控制流程圖

在伺服電機軸和步進電機軸的運動過程中，步進電機軸收到需要同步跟隨運動的信息后，才會跟隨伺服電機軸開始運動。期間有些許延時，是PROFINET網絡訪問時間和控制器的循環(huán)時間[3]。在系統(tǒng)操作中，控制步進電機軸的從控制器會先通過PROFINET訪問控制伺服電機軸的主控制器，由主控制器處理完后再通過PROFINET回復給從控制器[4]。

4 同步跟隨運動系統(tǒng)的運動控制

信號的編輯主要在編程軟件TIA Portal中進行。編輯完成后的信號可以通過PLC控制驅動電機軸的脈沖大小和方向，并監(jiān)控驅動電機軸的運行狀態(tài)。根據(jù)驅動電機的運行原理，驅動電機運行的距離和角度由輸出的脈沖信號決定。在系統(tǒng)設定中，驅動電機的轉數(shù)是固定的[5]。每轉的時間和距離可以根據(jù)機器的自身需要進行設置。因此，可以通過調整驅動電機每轉的距離和單位時間的脈沖數(shù)來控制驅動電機每轉的距離和轉速。

步進電機的運動參數(shù)先由PLC2傳送給PLC1，再由PLC1向PLC2發(fā)送指令執(zhí)行相應操作。PLC1中的指令執(zhí)行作為輸出操作指令的開始，當PLC1滿足條件輸出時，PLC2控制驅動軸執(zhí)行操作命令。PLC2完成指令后輸出完成信號，同時PLC1收到完成信號，程序開始下一階段動作。控制程序梯形圖如圖3所示。

圖3 控制程序梯形圖

實際操作過程中，要根據(jù)具體操作過程在TIA Portal程序編輯器中使用PTO進行指令選擇和參數(shù)設定，如驅動電機的傳動比參數(shù)和位置動態(tài)參數(shù)等。驅動電機軸的運動數(shù)據(jù)分別保存在各自的數(shù)據(jù)塊中，可以通過系統(tǒng)設置調整和控制運動參數(shù)。在驅動電機軸運動的過程中，需要控制電機軸的定位、移動速度和順序的確定等控制指令中的具體參數(shù)，從而達到設計的理想運動狀態(tài)[6]。

5 結語

同步跟隨運動控制在工業(yè)環(huán)境中起著十分重要的作用。本文基于PLC實現(xiàn)伺服軸和步進軸的同步跟隨運動控制，系統(tǒng)結構簡單合理，使用方便，具有同步性能好、抗干擾能力強等優(yōu)點，對工業(yè)環(huán)境中的同步跟隨傳動控制具有重要的應用價值。