基于PLC的伺服電機(jī)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

靳永周

摘要：近年來(lái)，PLC技術(shù)發(fā)展迅速，被廣泛應(yīng)用在各生產(chǎn)領(lǐng)域中，極大地提高了生產(chǎn)領(lǐng)域的自動(dòng)化水平，尤其在伺服電機(jī)運(yùn)動(dòng)控制中的應(yīng)用，使得對(duì)電機(jī)運(yùn)動(dòng)的質(zhì)量及水平大大提高。鑒于此，文章對(duì)基于PLC的伺服電機(jī)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)進(jìn)行了探討。

關(guān)鍵詞：PLC；伺服電機(jī)；運(yùn)動(dòng)控制；系統(tǒng)設(shè)計(jì)；自動(dòng)化 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

中圖分類(lèi)號(hào)：TP206 文章編號(hào)：1009-2374（2017）06-0006-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2017.06.003

基于PCL伺服電機(jī)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)需要考慮很多專(zhuān)業(yè)內(nèi)容，尤其需要對(duì)PLC以及伺服電機(jī)的工作原理有一個(gè)清晰的認(rèn)識(shí)與了解，在此基礎(chǔ)上從整體上進(jìn)行規(guī)劃，明確各模塊的功能，進(jìn)行針對(duì)性設(shè)計(jì)，保證設(shè)計(jì)工作的順利高效完成。

1 設(shè)計(jì)所用的裝置介紹

為保證基于PLC的伺服電機(jī)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)工作的順利實(shí)現(xiàn)，設(shè)計(jì)中應(yīng)明確所用裝置與性能，本文使用以SGDV-2R8A01A為驅(qū)動(dòng)模塊的伺服電機(jī)，使用艾默生EC10系列的PLC以及A/D、I/O擴(kuò)展模塊，并使用信捷人機(jī)界面。其中伺服電機(jī)、驅(qū)動(dòng)以及PLC相關(guān)參數(shù)如表1所示：

2 電機(jī)控制方式的實(shí)現(xiàn)

借助PLC技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)伺服電機(jī)運(yùn)動(dòng)的控制，主要從脈沖量、模擬量角度，實(shí)現(xiàn)對(duì)位置以及對(duì)電機(jī)速度的控制，其中控制速度需兩個(gè)成比例的模擬量輸出，即利用PLC對(duì)D/A模塊配置，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換與處理，將對(duì)應(yīng)的模擬電壓值輸出向電機(jī)的伺服模塊中輸入，以匹配速度，要想了解電機(jī)的位置信息，可通過(guò)分析伺服模塊中的脈沖信息獲得，即將獲得的脈沖信息實(shí)現(xiàn)向位置信息的轉(zhuǎn)化即可。不過(guò)，此種控制方式雖能夠?qū)崿F(xiàn)，但需要較多數(shù)量的I/O模塊。與速度控制相比，匹配速度及定位實(shí)現(xiàn)相對(duì)簡(jiǎn)單：伺服模塊接收到指令脈沖信息后，進(jìn)行相關(guān)的轉(zhuǎn)化，對(duì)電壓電流的輸出情況進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)。與此同時(shí)，通過(guò)伺服驅(qū)動(dòng)模塊脈沖頻率和數(shù)量，便可控制電機(jī)速度和旋轉(zhuǎn)量?？紤]到PLC具備位置控制指令集，因此不接收位置反饋，也可實(shí)現(xiàn)對(duì)脈沖數(shù)量的計(jì)算，即在PLC對(duì)電機(jī)繞線關(guān)系以及頻率關(guān)系正確處理的基礎(chǔ)上，通過(guò)脈沖信號(hào)的發(fā)送，促進(jìn)雙機(jī)彼此之間的相互配合，這一過(guò)程的實(shí)現(xiàn)難度較小，當(dāng)對(duì)完全閉環(huán)加以控制時(shí)，需要對(duì)電機(jī)端的脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)，如此便能很好地掌握電機(jī)端是否很好的完成脈沖指令。另外，因程序處理耽擱一定時(shí)間，需采取針對(duì)性相關(guān)措施。本文運(yùn)用位置控制方式對(duì)伺服電機(jī)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)。

3 單雙電機(jī)控制的實(shí)現(xiàn)

利用繞線機(jī)伺服系統(tǒng)，靈活控制伺服電機(jī)運(yùn)動(dòng)情況及狀態(tài)，并關(guān)聯(lián)控制相關(guān)參數(shù)，為雙電機(jī)的控制奠定基礎(chǔ)?？傊?，在設(shè)計(jì)控制模塊時(shí)，確保對(duì)單電機(jī)各種功能的控制是整個(gè)設(shè)計(jì)工作的關(guān)鍵。

3.1 單電機(jī)的控制

單電機(jī)控制的實(shí)現(xiàn)依賴(lài)于PLC位置控制指令，本文應(yīng)用的PLC擁有PLSV指令、DRVI指令、DRVA指令，其中PLSV指令為變速運(yùn)行指令，隨著時(shí)間的變化指令的速度處在不斷變化中，控制實(shí)現(xiàn)方式較為靈活，不過(guò)不能實(shí)現(xiàn)定位。DRVI控制相對(duì)位置，對(duì)定位操作執(zhí)行時(shí)，一旦速度值變化需將指令關(guān)斷一周期才能生效。DRVA控制絕對(duì)位置，定位期間電機(jī)速度不發(fā)生變化，當(dāng)完成定位操作后，電機(jī)便停止，并等待下個(gè)指令。本系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，主控運(yùn)行指令使用PLSV，為保證主控運(yùn)行的順利進(jìn)行，DRVI、DRVA主要用于對(duì)主控運(yùn)行的輔助，并在暫停狀態(tài)下，對(duì)電機(jī)進(jìn)行微調(diào)和相關(guān)的定位操作。

在對(duì)控制分工詳細(xì)了解的基礎(chǔ)上，搭建控制程序。一方面，運(yùn)行的控制實(shí)現(xiàn)。即，將程序啟動(dòng)，將啟動(dòng)按鈕按下實(shí)現(xiàn)對(duì)起繞點(diǎn)的定位操作，而后將其暫停；對(duì)運(yùn)行按鈕進(jìn)行再次按下操作，電機(jī)便在起繞點(diǎn)至終點(diǎn)之間來(lái)回的往返；當(dāng)暫停按鈕被短按時(shí)，電機(jī)逐漸停止運(yùn)行；讓電機(jī)重新運(yùn)行，需再次將運(yùn)行按鈕按下；當(dāng)電機(jī)處于停止?fàn)顟B(tài)時(shí)，延長(zhǎng)按下暫停按鈕的時(shí)間，電機(jī)復(fù)歸，重新回到零點(diǎn)。另一方面，調(diào)整操作。使用兩個(gè)點(diǎn)動(dòng)按鈕，便可點(diǎn)動(dòng)控制處于暫停狀態(tài)下的電機(jī)，促使電機(jī)完成反向與正向點(diǎn)動(dòng)操作。編寫(xiě)PLC梯形圖像程序時(shí)，對(duì)點(diǎn)動(dòng)速度、運(yùn)行期間的速度、定位期間的速度、終點(diǎn)脈沖數(shù)、起點(diǎn)脈沖數(shù)進(jìn)行事先設(shè)定，結(jié)合伺服模塊中單圈脈沖數(shù)、齒數(shù)比，并可對(duì)電機(jī)在不同模式下的轉(zhuǎn)速情況。另外，需要借助寄存器SD80進(jìn)行換向，在該寄存器脈沖端口作用下，并接受相關(guān)指令后，實(shí)現(xiàn)對(duì)脈沖數(shù)的計(jì)數(shù)計(jì)算，而后對(duì)比起點(diǎn)和終點(diǎn)的脈沖數(shù)量，做出相關(guān)的判斷。當(dāng)SD80超過(guò)邊界時(shí)，比較指令便被激發(fā)，進(jìn)行換向操作，取反PLSV脈沖操作數(shù)，完成轉(zhuǎn)向（如圖1所示換向流程）。

控制單電機(jī)時(shí)需熟練掌握PLC相關(guān)知識(shí)，熟練應(yīng)用各種定位指令。同時(shí)，注重概念設(shè)計(jì)思路的考慮，做好對(duì)電機(jī)運(yùn)行流程的深入研究，為雙電機(jī)控制及調(diào)試工作的實(shí)現(xiàn)做好鋪墊。

3.2 雙電機(jī)的控制

雙電機(jī)控制的實(shí)現(xiàn)需增加I/O數(shù)量，本文使用的PLC主模塊擁有的接口數(shù)量無(wú)法滿足相關(guān)要求，因此需要使用擴(kuò)展模塊。本文使用旋鈕式變阻器，通過(guò)點(diǎn)電壓的調(diào)節(jié)實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)運(yùn)行速度的控制。同時(shí)主模塊無(wú)法處理模擬量，需使用A/D轉(zhuǎn)換模塊進(jìn)行轉(zhuǎn)化。如此將變阻器上的電壓借助模數(shù)實(shí)現(xiàn)向數(shù)字量的轉(zhuǎn)化，PLC處理數(shù)字量進(jìn)行相關(guān)的輸出。不過(guò)位置控制模式下可對(duì)反向的D/A進(jìn)行轉(zhuǎn)換。

同時(shí)控制雙電機(jī)時(shí)的控制復(fù)雜性會(huì)得以提高，尤其需解決兩組電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)與速度的關(guān)聯(lián)性，為實(shí)現(xiàn)對(duì)速度的匹配，需要設(shè)計(jì)位置系統(tǒng)。為確保速度匹配功能的順利實(shí)現(xiàn)，應(yīng)設(shè)計(jì)其中一個(gè)電機(jī)為主電機(jī)，A/D轉(zhuǎn)化數(shù)據(jù)直接作用于該主控電機(jī)，為保證兩組電機(jī)運(yùn)行的同步，需利用PLC對(duì)從動(dòng)電機(jī)的運(yùn)行信息進(jìn)行監(jiān)控。在對(duì)運(yùn)行程序進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，需深入分析排線電機(jī)和從繞線電機(jī)的運(yùn)行規(guī)律，為更好的實(shí)現(xiàn)匹配功能奠定基礎(chǔ)。不過(guò)兩電機(jī)速度的匹配受線寬影響，繞線電機(jī)與排線電機(jī)速度的匹配應(yīng)滿足：設(shè)定線寬/絲桿節(jié)距=排線電機(jī)轉(zhuǎn)速/繞線電機(jī)轉(zhuǎn)速。對(duì)位置系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)以排線電機(jī)當(dāng)作主導(dǎo)，與此同時(shí)，利用PLC中設(shè)置的程序，對(duì)該電機(jī)的位置寄存器進(jìn)行監(jiān)控，并注重絕對(duì)位置系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。另外，需要注意的是，為計(jì)算繞線匝數(shù)，位于繞線電機(jī)上的寄存器可進(jìn)行數(shù)字的累加。

雙電機(jī)運(yùn)行系統(tǒng)具備正常運(yùn)行及轉(zhuǎn)向功能的同時(shí)，還能通過(guò)操作控制連續(xù)、單步，使得繞線機(jī)運(yùn)行靈活度得到明顯提高。單步/連續(xù)控制的實(shí)現(xiàn)：換向操作時(shí)安裝單步/連續(xù)控制開(kāi)關(guān)，開(kāi)關(guān)未啟用時(shí)系統(tǒng)處在連續(xù)不斷的運(yùn)行當(dāng)中，進(jìn)行轉(zhuǎn)化操作仍不會(huì)對(duì)運(yùn)行造成影響。將開(kāi)關(guān)開(kāi)啟后，并進(jìn)行換向操作，系統(tǒng)停止運(yùn)行，按下運(yùn)行鍵系統(tǒng)恢復(fù)正運(yùn)行狀態(tài)。繞線機(jī)進(jìn)行單獨(dú)運(yùn)行時(shí)，需要對(duì)線圈某些區(qū)域的加固層進(jìn)行加強(qiáng)操作時(shí)，應(yīng)制動(dòng)排線機(jī)，將其處于暫停狀態(tài)，在預(yù)定的位置允許其繞線，尤其為實(shí)現(xiàn)選擇功能時(shí)可安裝一些開(kāi)關(guān)。當(dāng)手動(dòng)對(duì)運(yùn)行方向進(jìn)行控制時(shí)，在某些條件下，需屏蔽預(yù)設(shè)的邊界，尤其當(dāng)排線電機(jī)的繞線作業(yè)處在寬幅外時(shí)，將不能對(duì)其進(jìn)行自動(dòng)換向操作，需要依靠手進(jìn)行向右/向左運(yùn)行的控制，以對(duì)一些繞線動(dòng)作進(jìn)行處理。按照上述思路，對(duì)雙電機(jī)運(yùn)行模塊進(jìn)行控制，具體流程如圖2所示：

4 系統(tǒng)的啟動(dòng)與停止

配置EC10系列的PLC時(shí)，可對(duì)輸入點(diǎn)的開(kāi)機(jī)模式進(jìn)行配置，對(duì)輸入點(diǎn)的開(kāi)機(jī)模式進(jìn)行選擇，并在X0～X7中確定一個(gè)當(dāng)作啟動(dòng)PLC的開(kāi)關(guān)。進(jìn)行程序設(shè)計(jì)時(shí)，可將啟動(dòng)開(kāi)關(guān)設(shè)置為X7。PLC與電源接通后，不按下X7時(shí)，PLC在待機(jī)狀態(tài)下，當(dāng)按下X7時(shí)，PLC對(duì)X0進(jìn)行掃描發(fā)現(xiàn)存在OFF向ON的變化時(shí)，開(kāi)始運(yùn)行PLC程序。

當(dāng)激活系統(tǒng)中的STOP指令時(shí)，PLC程序暫停運(yùn)行。系統(tǒng)停止運(yùn)行在程序中有兩種表現(xiàn)：繞線流程結(jié)束，系統(tǒng)便停止。繞線期間因中斷而停止，當(dāng)然系統(tǒng)緊急停止時(shí)應(yīng)屬于后者。為確保后者停止的可靠性，當(dāng)X7由ON向OFF跳變時(shí)程序被觸發(fā)停止，并進(jìn)行適當(dāng)?shù)难訒r(shí)保存數(shù)據(jù)信息，為下次程序運(yùn)行做鋪墊。另外，設(shè)計(jì)系統(tǒng)時(shí)，X7設(shè)計(jì)成能夠控制支路能流的開(kāi)關(guān)，當(dāng)X7為OFF時(shí)，程序中的指令均不能運(yùn)行，一定程度上降低了程序運(yùn)行的故障發(fā)生率。為及時(shí)發(fā)現(xiàn)該系統(tǒng)設(shè)計(jì)中出現(xiàn)的問(wèn)題，待各模塊設(shè)計(jì)完成后需進(jìn)行調(diào)試處理，通過(guò)對(duì)本系統(tǒng)調(diào)試結(jié)果來(lái)看，系統(tǒng)的繞線機(jī)性能與理論折算值之間的誤差較小，分析原因可能因程序編寫(xiě)過(guò)程中一些細(xì)節(jié)處理得不到位，或受硬件電磁兼容性的影響，需在進(jìn)行認(rèn)真分析后進(jìn)行適當(dāng)?shù)膬?yōu)化與處理。

5 結(jié)語(yǔ)

基于PLC伺服電動(dòng)機(jī)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)應(yīng)用較多專(zhuān)業(yè)知識(shí)，需在認(rèn)真研究設(shè)計(jì)需求的基礎(chǔ)上，加強(qiáng)各設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)的探討，為設(shè)計(jì)工作的順利開(kāi)展奠定基礎(chǔ)。本文通過(guò)研究得出以下結(jié)論：（1）本文設(shè)計(jì)的基于PLC伺服電動(dòng)機(jī)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)，應(yīng)用的硬件主要有伺服電機(jī)、對(duì)應(yīng)的驅(qū)動(dòng)模塊、PLC以及相關(guān)的擴(kuò)展模塊等；（2）設(shè)計(jì)過(guò)程中在對(duì)所用裝置性能充分了解的基礎(chǔ)上，明確設(shè)計(jì)工作的重點(diǎn)，本文尤其對(duì)伺服電機(jī)的控制方式、單雙電機(jī)控制以及系統(tǒng)的啟動(dòng)與停止進(jìn)行重點(diǎn)探討；（3）在對(duì)各模塊設(shè)計(jì)完成的基礎(chǔ)上進(jìn)行調(diào)試運(yùn)行，發(fā)現(xiàn)一些小問(wèn)題需要進(jìn)一步的研究與優(yōu)化，總的來(lái)看，設(shè)計(jì)的伺服電機(jī)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)基本滿足設(shè)計(jì)要求，而且可為今后一些設(shè)計(jì)工作的開(kāi)展提供參考。

參考文獻(xiàn)

[1] 房朝暉，白瑞峰，張帥，張杰.基于三菱PLC的伺服定位隨動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].高校實(shí)驗(yàn)室工作研究，2016，（2）.

[2] 張志敏，路敦民，張厚江，賀昌勇.基于LabVIEW及PLC電機(jī)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].測(cè)控技術(shù)，2016，（1）.

[3] 吉紅，夏春茂，王鳳桐.基于PLC的伺服電機(jī)位置控制系統(tǒng)研究[J].科技經(jīng)濟(jì)導(dǎo)刊，2016，（15）.

[4] 陸幸駿，包曄峰，楊可.基于PLC的兩軸運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].鍛壓裝備與制造技術(shù)，2015，（1）.

（責(zé)任編輯：黃銀芳）