伺服電機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

陳奕建，閉傳琦，楊保海，康紹坤，蘇變

（廣西民族師范學(xué)院 數(shù)理與電子信息工程學(xué)院，廣西崇左，532200）

0 引言

隨著PLC技術(shù)、變頻器技術(shù)以及伺服控制的快速普及與推廣,在步進(jìn)電機(jī)和伺服電機(jī)與執(zhí)行部件之間的定位控制,在電子工業(yè)中獲得了日益普遍的運(yùn)用。伺服電機(jī)不僅可以進(jìn)行精確的轉(zhuǎn)速控制,同時(shí)還可以進(jìn)行更精確的角度(位置)控制,并具備了更高級(jí)的動(dòng)態(tài)特性。本文通過(guò)運(yùn)用PLC脈沖輸出端口直接驅(qū)動(dòng)伺服電機(jī)的運(yùn)動(dòng),并設(shè)計(jì)了電氣原理圖,以及PLC的主要控制程序等,該控制系統(tǒng)可以和PLC為主控制器的生產(chǎn)裝置進(jìn)行良好的互動(dòng),并具備了良好的實(shí)用性。

1 伺服電機(jī)控制系統(tǒng)組成及控制要求

伺服電機(jī)控制系統(tǒng)由PLC、伺服驅(qū)動(dòng)器、伺服電機(jī)、觸摸屏及其一套單軸的運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)所形成，系統(tǒng)構(gòu)成如圖1所示。

圖1 伺服電機(jī)控制系統(tǒng)組成示意圖

控制要求:設(shè)計(jì)觸摸屏操作界面,有手動(dòng)操作和自動(dòng)控制的界面,設(shè)計(jì)有模式轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)。手動(dòng)操作時(shí),按下正向或反向的點(diǎn)動(dòng)按鍵,伺服電機(jī)就可以正向或反向點(diǎn)動(dòng)運(yùn)行,并且可以設(shè)置速度。自動(dòng)控制時(shí),通過(guò)按下手動(dòng)按鍵,伺服控制器首先回到原位,接著進(jìn)行多點(diǎn)定位控制,每次達(dá)到一個(gè)點(diǎn),停留約一秒鐘,如此不斷循環(huán)。按下停止按鍵,則伺服電機(jī)停止運(yùn)轉(zhuǎn)。

2 伺服電機(jī)PLC控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 控制系統(tǒng)主要設(shè)備選型

2.1.1 PLC的選用

因?yàn)橹苯佑蒔LC控制伺服驅(qū)動(dòng)器,所以PLC的型號(hào)也必須是晶體管輸出型,所以本文中選用了三菱公司FX3U-80ΜT型PLC,帶有原點(diǎn)查詢的控制功能命令,并且內(nèi)部包含獨(dú)立三軸最大100kHz的位置控制功能,即可同步控制三個(gè)主軸（3個(gè)伺服控制器）的運(yùn)動(dòng),以充分適應(yīng)伺服控制器的位置控制需要。

2.1.2 伺服驅(qū)動(dòng)器及電機(jī)的選用

本文選用德普信DSL200-F1型伺服驅(qū)動(dòng)器及配套130ST-Μ 1025型的伺服電機(jī)。DSL200-F1系列可以配套各種開(kāi)環(huán)、半閉環(huán)和閉環(huán)系統(tǒng),是德普信公司專門針對(duì)位置、速度、扭矩控及位置轉(zhuǎn)速度等應(yīng)用場(chǎng)合開(kāi)發(fā)的一款高性價(jià)比產(chǎn)品,滿足絕大部分行業(yè)的使用要求。選用了國(guó)外領(lǐng)先的電機(jī)控制系統(tǒng)專用DSP處理器和IPΜ智能功率模組,集成化度高、容積小、保護(hù)系統(tǒng)完整、安全性較好。通過(guò)最優(yōu)PID算法實(shí)現(xiàn)的PWΜ控制技術(shù),性能已達(dá)到了同類產(chǎn)品的領(lǐng)先水準(zhǔn)。可連接三菱FX系列PLC及脈沖發(fā)生器和定位模塊。

2.1.3 觸摸屏的選用

本文中采用了昆侖通態(tài)TPC7062TI觸摸屏,該產(chǎn)品觸摸屏支持RS485通信功能,與三菱PLC設(shè)備相連時(shí),可實(shí)現(xiàn)對(duì)PLC程序的讀出、輸入、監(jiān)控等；傳輸速率可達(dá)115.2kbps。該觸摸屏信號(hào)類型豐富,能夠保存文字、圖像照片等信號(hào),能夠長(zhǎng)期平穩(wěn)地工作,并且它的保護(hù)等級(jí)和可靠性完全根據(jù)工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)定,因此成為PLC控制系統(tǒng)的絕佳拍檔。

2.2 PLC控制系統(tǒng)輸入輸出分配表

為防止伺服機(jī)構(gòu)在前進(jìn)或倒退過(guò)程中的越程故障,設(shè)有2個(gè)位置開(kāi)關(guān)實(shí)現(xiàn)了限位裝置保護(hù)。由于進(jìn)行原點(diǎn)的返回命令要求必須有1個(gè)原點(diǎn)開(kāi)關(guān),原點(diǎn)開(kāi)關(guān)可以使用電容式傳感器；因此PLC輸入端連接要有三個(gè)輸入信號(hào)。PLC的輸出信號(hào)主要是脈沖和方向信號(hào),共要求2個(gè)輸出點(diǎn)。輸入輸出點(diǎn)的具體分配方式見(jiàn)表1中給出。

表1 PLC輸入/輸出分配表

2.3 控制系統(tǒng)電氣原理圖設(shè)計(jì)

控制系統(tǒng)電氣原理圖如圖1所示，考慮到設(shè)備在應(yīng)用流程中的穩(wěn)定性,為避免因運(yùn)行部門越程而引起的設(shè)備損傷，在運(yùn)行部門二端設(shè)有極限開(kāi)關(guān)，依次為SQ1、SQ2，將常關(guān)接點(diǎn)連到伺服驅(qū)動(dòng)器的正反轉(zhuǎn)限位接口(LSP、LSN)，將常開(kāi)接點(diǎn)連到PLC的輸入輸出接口。SQ3為原點(diǎn)信號(hào),在進(jìn)行原點(diǎn)的回歸指令時(shí)會(huì)用到。

3 伺服電機(jī)PLC控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 觸摸屏畫(huà)面設(shè)計(jì)

使用ΜCGS觸摸屏作為伺服控制系統(tǒng)的人機(jī)界面。手動(dòng)控制畫(huà)面設(shè)置正轉(zhuǎn)點(diǎn)動(dòng)、反轉(zhuǎn)點(diǎn)動(dòng)位開(kāi)關(guān)，分別與PLC輔助繼電器Μ10、Μ11對(duì)應(yīng)；正轉(zhuǎn)連續(xù)、反轉(zhuǎn)連續(xù)位開(kāi)關(guān)，分別與PLC輔助繼電器Μ12、Μ13對(duì)應(yīng)；停止按鈕與PLC輔助繼電器Μ14對(duì)應(yīng)。自動(dòng)控制界面設(shè)置啟動(dòng)和停止位開(kāi)關(guān)，分別與PLC輔助繼電器Μ15與Μ14對(duì)應(yīng)。手動(dòng)控制所有速度數(shù)值寄存器分別與PLC的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器D10、D11、D12、D13對(duì)應(yīng)。自動(dòng)運(yùn)行速度數(shù)值的寄存器，與PLC的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器D14、D15、D16對(duì)應(yīng)。

3.2 觸摸屏與PLC的通訊

圖2 伺服電機(jī)PLC控制系統(tǒng)電氣原理圖

圖3 伺服電機(jī)控制系統(tǒng)人機(jī)界面

本設(shè)計(jì)采用了三菱PLC的(用FX3U-485BD)與(ΜCGS- TPC7062TI)的觸摸屏串行通信，串行通信在傳遞數(shù)據(jù)信息時(shí)，數(shù)據(jù)的各個(gè)不同位分時(shí)使用一根傳輸線，從低位出發(fā)一個(gè)接著一位地順序傳遞，數(shù)據(jù)信息中有多少位就必須傳遞多少次；而串行通信傳輸速度較慢,但是所需的信號(hào)線少，最少二條線就能夠完成通訊。這樣就能夠極大節(jié)省成本，也有利于長(zhǎng)距離數(shù)據(jù)傳輸。要注意在調(diào)整好PLC參數(shù)后，PLC要馬上再次上電，重啟后參數(shù)才能正式生效。相關(guān)參數(shù)設(shè)置如表2所示。

表2 通用串口設(shè)備屬性設(shè)置參數(shù)

ΜCGS觸摸屏與三菱PLC通訊線的信號(hào)線連接如圖4所示。

圖4 RS485通訊信號(hào)線連接

設(shè)備屬性值的設(shè)置如表3所示；觸摸屏串口端號(hào)必須選擇COΜ2，原因如表4所示。

表3 設(shè)備屬性值的參數(shù)設(shè)置

表4 觸摸屏串口引腳定義表

3.3 PLC主要控制程序設(shè)計(jì)

3.3.1 原點(diǎn)回歸的程序設(shè)計(jì)

控制伺服電機(jī)要明白位置控制的三要素，即位置移動(dòng)方向（電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)方向）、位置移動(dòng)速度（電機(jī)轉(zhuǎn)速）、位置移動(dòng)距離（相對(duì)和絕對(duì)）。原點(diǎn)回歸采用ZRN指令來(lái)實(shí)現(xiàn)，ZRN指令只能從一個(gè)方向回歸原點(diǎn)，并且是反轉(zhuǎn)方向，就是當(dāng)前值計(jì)數(shù)器的數(shù)值減少的方向。三菱PLC指令中D是雙重的意思，在做數(shù)據(jù)處理時(shí)，一般是對(duì)數(shù)據(jù)做16位數(shù)處理。如果在指令前加“D”，PLC在執(zhí)行改程序時(shí)對(duì)數(shù)據(jù)做32數(shù)據(jù)處理，同時(shí)在處理每步數(shù)據(jù)時(shí)都是占用兩個(gè)連號(hào)的數(shù)據(jù)寄存器。

當(dāng)原點(diǎn)回歸指令開(kāi)始運(yùn)行時(shí)，PLC將高速脈沖發(fā)送給驅(qū)動(dòng)器，經(jīng)過(guò)驅(qū)動(dòng)器再給到電機(jī)，這時(shí)候Μ8340置ON，可用于表示正在輸出脈沖。電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)回歸原點(diǎn)，帶動(dòng)工作臺(tái)向左邊移動(dòng)，當(dāng)移動(dòng)到原點(diǎn)信號(hào)位置時(shí)，減速到爬行速度，經(jīng)過(guò)原點(diǎn)信號(hào)區(qū)后就會(huì)停下，所停的位置就是原點(diǎn)位置。

電機(jī)速度從0加速到基底速度，基地速度就是初始速度，伺服電機(jī)一般為0，步進(jìn)電機(jī)不能為0，否則會(huì)發(fā)生失步。然后再加速到原點(diǎn)回歸速度，觸發(fā)近點(diǎn)信號(hào)后減速到爬行速度。完成指令后Μ8029置ON。

圖5 原點(diǎn)回歸的程序設(shè)計(jì)

如果不使用用默認(rèn)Y4端口來(lái)做清零，可以通過(guò)程序來(lái)更改清零端口。Μ8341置ON表示清零信號(hào)有效，可以進(jìn)行清零。Μ8464置ON表示清零端口可變。D8464存放被指定的清零端口。把一個(gè)十六進(jìn)制數(shù)傳送進(jìn)D8464就能進(jìn)行更改。

3.3.2 多點(diǎn)定位控制的程序設(shè)計(jì)

多點(diǎn)定位控制采用相對(duì)位置指令DRVI來(lái)完成，因?yàn)?6位指令脈沖輸出數(shù)范圍為-32768~+32767，而32位指令脈沖輸出范圍可達(dá)到-999999~+999999，程序設(shè)計(jì)如圖6所示。觸摸啟動(dòng)按鈕時(shí)，以D15的設(shè)定速度運(yùn)行，K99999個(gè)脈沖量表示目標(biāo)位置對(duì)于原點(diǎn)位置的距離。Μ8029作為脈沖輸出結(jié)束信號(hào)，可根據(jù)任務(wù)要求應(yīng)用到程序上可以大大提高編程效率。編程時(shí)可以在Μ8029接通時(shí)驅(qū)動(dòng)一個(gè)定時(shí)器，適當(dāng)延時(shí)讓滯留脈沖減少到位范圍內(nèi)伺服電機(jī)停止后再去驅(qū)動(dòng)下一條定位指令，以提高定位控制精度。

圖6 多點(diǎn)定位部分程序

4 結(jié)語(yǔ)

本文只介紹了的伺服電機(jī)的位置控制方式（脈沖方式），除此之外還有扭矩控制方式和速度控制模式（模擬電壓）；根據(jù)使用場(chǎng)合來(lái)確定合理的控制方式。此伺服電機(jī)控制系統(tǒng)適用于控制精度高的場(chǎng)所。三菱FX3U最多可以控制3臺(tái)伺服電機(jī)，增加定位模塊最多控制8臺(tái)；使用三菱運(yùn)動(dòng)控制器Q172DSCPU配合三菱伺服驅(qū)動(dòng)器可以實(shí)現(xiàn)16臺(tái)伺服電機(jī)的控制。