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

李濤 仵晨 李鑫 唐靜媛 楊軍良

摘 要：隨著伺服系統(tǒng)不斷的發(fā)展，制造業(yè)對(duì)伺服系統(tǒng)的要求也是越來(lái)越高，現(xiàn)在很多場(chǎng)合下需要伺服電機(jī)做變速運(yùn)動(dòng)，對(duì)電機(jī)的控制方式也是多種多樣的要求。本文將介紹一種基于永宏P(guān)LC的安川Σ-7系列AC伺服電機(jī)帶手搖輪控制的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)，并通過(guò)外接觸摸屏對(duì)伺服電機(jī)實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)控制。

關(guān)鍵詞：PLC;伺服電機(jī);運(yùn)動(dòng)控制;觸摸屏

中圖分類(lèi)號(hào)：TP206 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A DOI：10.3969/j.issn.1003-6970.2021.03.042

本文著錄格式：李濤，仵晨，李鑫，等.基于PLC的伺服電機(jī)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].軟件，2021，42（03）：145-148

Design of Servo Motor Motion Control System Based on PLC

LI Tao， WU Chen， LI Xin， TANG Jingyuan， YANG Junliang

（School of Mechanical and Precision Instrument Engineering， Xi 'an University of Technology， Xi 'an? Shaanxi? 710048）

【Abstract】：With the continuous development of the servo system， the requirements for the servo system are getting higher and higher. Nowadays， the servo motor is required for variable-speed motion in many occasions， and the control method of the motor is also a variety of requirements. This article will introduce a motion control system based on FATEK PLC-based Yaskawa Σ-7 series AC servo motor with hand wheel control， and achieve precise control of the servo motor through an external touch screen.

【Key words】：PLC;servo motor;motion control;touch screen

0 引言

隨著科技高速發(fā)展，現(xiàn)代工業(yè)制造很多情況下需要電機(jī)的低速運(yùn)轉(zhuǎn)，精度準(zhǔn)確，定位準(zhǔn)確及特定的控制方式等要求，以電機(jī)為控制對(duì)象，電子裝置為核心[1-3]，例如人工晶體生產(chǎn)、光學(xué)加工、工業(yè)機(jī)器人等領(lǐng)域。在實(shí)際生產(chǎn)應(yīng)用中通常采用伺服電機(jī)來(lái)滿足這些要求，結(jié)合PLC結(jié)構(gòu)小巧，穩(wěn)定性高，抗干擾能力強(qiáng)的特點(diǎn)[4]，更大程度上保證工業(yè)條件下電機(jī)運(yùn)動(dòng)的可靠性。本文以單晶生產(chǎn)技術(shù)要求，提出了采用基于永宏P(guān)LC通過(guò)外部觸摸屏控制伺服電機(jī)，并帶有手輪控制的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

1 PLC電機(jī)控制的硬件設(shè)

根據(jù)單晶生產(chǎn)要求電機(jī)轉(zhuǎn)速量程在0～260r/min，調(diào)控精度要達(dá)到0.1r/min，采用永宏P(guān)LC型號(hào)FBS-24MCT2-AC作為可編程控制器，分配輸入輸出;選用安川Σ-7系列型號(hào)SGM7J-04AFC6S AC伺服電機(jī)及Σ-7系列型號(hào)SGD7S-2R8A AC伺服驅(qū)動(dòng)器，按照要求對(duì)驅(qū)動(dòng)器參數(shù)進(jìn)行設(shè)置。

1.1 控制要求

首先電機(jī)的控制要求主要分為兩種，分為手動(dòng)、自動(dòng)兩種模式。在自動(dòng)模式下，通過(guò)在觸摸屏提前設(shè)置好自動(dòng)模式參數(shù)（間隔時(shí)間、起始速度、終止速度），電機(jī)在驅(qū)動(dòng)器的控制下可做勻加速或勻減速運(yùn)動(dòng)，達(dá)到終止速度后電機(jī)做勻速運(yùn)動(dòng)，自動(dòng)模式下若出現(xiàn)問(wèn)題，電機(jī)也可暫停，解決問(wèn)題后，以原速度繼續(xù)運(yùn)行;在手動(dòng)模式下，電機(jī)按照提前設(shè)置好的手動(dòng)速度做勻速運(yùn)動(dòng)，若手搖輪有脈沖輸入則手搖輪直接切入控制電機(jī)。具體的控制流程如圖1所示。

1.2 硬件配置

為保證設(shè)計(jì)要求，要明確所用硬件配置的各性能指標(biāo)，本次選用的永宏P(guān)LC FBS-24MCT2-AC有14點(diǎn)24VDC數(shù)組輸入（4點(diǎn)高速200KHz，2點(diǎn)中速20KHz，6點(diǎn)總和5KHz）和10點(diǎn)繼電器或晶體管數(shù)出（4點(diǎn)高速200KHz，4點(diǎn)中速20KHz），其它相關(guān)參數(shù)如表1所示。

1.3 I/O分配表

根據(jù)控制要求，通過(guò)觸摸屏控制輸入，而外部輸入只有手搖輪脈沖輸入，永宏P(guān)LC支持手搖輪輸入，有專(zhuān)用的指令，在使用手搖輪時(shí)還要進(jìn)行一些組態(tài)設(shè)置，一般是在50Ms中斷程序中使用。電機(jī)轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)的I/O分配如表2所示。

1.4 原理接線圖

該系統(tǒng)原理接線圖如圖2所示。PLC的電源端L接相線，N端接零線，S/S接24V，所用的信號(hào)連接線皆采用雙絞線，保證信號(hào)不被干擾。

1.5伺服驅(qū)動(dòng)參數(shù)設(shè)置

伺服電機(jī)的控制模式主要有速度控制、位置控制、轉(zhuǎn)矩控制[5-6]三種，每種控制模式下伺服驅(qū)動(dòng)參數(shù)各不相同，根據(jù)控制要求選用位置控制模式。對(duì)伺服驅(qū)動(dòng)參數(shù)進(jìn)行設(shè)置之前，首先要對(duì)伺服驅(qū)動(dòng)參數(shù)進(jìn)行初始化Fn005，必須在伺服OFF狀態(tài)下執(zhí)行，重啟后生效。位置控制模式下需要設(shè)置的參數(shù)如表3所示。

伺服電機(jī)選用的是安川伺服電機(jī)24位增量型，則電機(jī)分辨率為16777216，即電機(jī)旋轉(zhuǎn)一周，需要輸入16777216個(gè)脈沖，設(shè)置伺服電機(jī)的脈沖圈數(shù)為12000，Pn20E和Pn210分別是電子齒輪的分子和分母，故電機(jī)旋轉(zhuǎn)一周，PLC需要發(fā)送的脈沖數(shù)等于分辨率除以電子齒輪比[2]，即：

（1）

2程序設(shè)計(jì)

WinProladder是永宏系列的PLC編程軟件，擁有強(qiáng)大的控制算法指令，超強(qiáng)通訊，NC定位等功能，軟件全采用Windows環(huán)境設(shè)計(jì)，操作簡(jiǎn)單，易學(xué)易用，軟件采用項(xiàng)目觀念，內(nèi)容直觀，多樣化的聯(lián)機(jī)方式。

以高速脈沖方式控制伺服驅(qū)動(dòng)器是最常用的控制方式，F(xiàn)Bs-PLC有專(zhuān)用的單軸高速脈沖輸出指令FUN140（HSPSO）如圖3所示，以文字的書(shū)寫(xiě)方式來(lái)編輯，Pulse Output包含三種工作模式，分別為U/D、P/R、A/B，該指令還需與伺服命令表格配合使用。

無(wú)論是手動(dòng)還是自動(dòng)模式下，都是通過(guò)PLC負(fù)責(zé)發(fā)送出高速脈沖指令給伺服驅(qū)動(dòng)器，伺服電機(jī)將從伺服電機(jī)輸入的脈沖信號(hào)通過(guò)編碼器反饋回驅(qū)動(dòng)器，驅(qū)動(dòng)器將輸入信號(hào)頻率和脈沖數(shù)與反饋回的頻率和脈沖數(shù)進(jìn)行處理，構(gòu)成閉環(huán)系統(tǒng)，保證伺服電機(jī)高速，精確運(yùn)轉(zhuǎn)。

永宏P(guān)LC有專(zhuān)用的手搖輪控制指令148號(hào)指令MPG，使用時(shí)還需設(shè)置硬件高級(jí)計(jì)數(shù)和脈沖數(shù)出，該指令放在50ms定時(shí)中斷處理程序中來(lái)執(zhí)行，以便以準(zhǔn)確的對(duì)手輪輸入脈沖進(jìn)行取樣，手搖輪控制指令如圖4所示。

3人機(jī)操作界面

人機(jī)交互系統(tǒng)和PLC基于變量形式搭起HMI與控制過(guò)程之間的通信，I/O模塊則是PLC與控制過(guò)程交流的橋梁，HIM利用變量讀取或?qū)懭隤LC的控制數(shù)據(jù)，在計(jì)算機(jī)上利用觸摸屏組態(tài)軟件，對(duì)觸摸屏進(jìn)行組態(tài)設(shè)置，包括變量設(shè)置以及與PLC之間的鏈接[7-8]。系統(tǒng)組態(tài)基本結(jié)構(gòu)如圖5所示。本次設(shè)計(jì)主要設(shè)計(jì)四個(gè)界面分別為主界面，參數(shù)設(shè)定界面，速度監(jiān)控界面以及報(bào)警界面。

3.1主界面

主界面是人機(jī)交互系統(tǒng)的基礎(chǔ)界面，顯示電機(jī)轉(zhuǎn)速的控制情況，直接通過(guò)主界面全程進(jìn)行控制并且對(duì)整個(gè)過(guò)程實(shí)時(shí)監(jiān)控，還包含手動(dòng)模式下電機(jī)速度設(shè)置，自動(dòng)模式下旋轉(zhuǎn)速度段數(shù)的選擇，段數(shù)選擇后電機(jī)開(kāi)始按設(shè)計(jì)好的參數(shù)運(yùn)動(dòng)，以及手動(dòng)自動(dòng)模式選擇開(kāi)關(guān)。通過(guò)EasyBuilder Pro軟件建立觸摸屏與PLC之間的通訊，實(shí)現(xiàn)觸摸屏控制電機(jī)，設(shè)計(jì)效果如圖6所示。

3.2參數(shù)設(shè)定界面

參數(shù)設(shè)定界面是在自動(dòng)控制模式下，人為設(shè)置電機(jī)速度的變化，包含間隔時(shí)間，起始速度，終止速度，總共七段速度從上到下依次設(shè)定。整個(gè)過(guò)程實(shí)現(xiàn)勻速運(yùn)動(dòng)，該界面設(shè)計(jì)效果如圖7所示。

3.3速度監(jiān)控界面

在速度監(jiān)控界面，主要是對(duì)電機(jī)實(shí)時(shí)速度的采集和統(tǒng)計(jì)，利用平面直角坐標(biāo)設(shè)置，實(shí)時(shí)繪制速度隨時(shí)間變化的情況，繪制成趨勢(shì)圖，將電機(jī)數(shù)據(jù)采集下來(lái)有助于對(duì)數(shù)據(jù)的分析。速度監(jiān)控界面的效果如圖8所示。

3.4報(bào)警界面

報(bào)警界面的目的是在電機(jī)運(yùn)行的過(guò)程中，某些數(shù)值出現(xiàn)了超出電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)極限的變化，或是超出設(shè)定值的等一系列故障問(wèn)題，為了能夠及時(shí)排除問(wèn)題，保證電機(jī)快速恢復(fù)正常運(yùn)轉(zhuǎn)。通過(guò)報(bào)警界面可以很清楚的得知故障序號(hào)，以及故障時(shí)間，為分析提供幫助。報(bào)警界面的設(shè)計(jì)效果如圖9。

4結(jié)語(yǔ)

本文采用PLC對(duì)伺服電機(jī)進(jìn)行變速控制，分析了系統(tǒng)的硬件參數(shù)以及伺服驅(qū)動(dòng)器的參數(shù)設(shè)置，通過(guò)Win Proladde編程軟件編寫(xiě)梯形圖，設(shè)計(jì)組態(tài)，建立PLC與觸摸屏通訊，實(shí)現(xiàn)對(duì)伺服電機(jī)的運(yùn)動(dòng)控制。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，伺服電機(jī)的控制精度達(dá)到0.1r/min，量程達(dá)到0～260r/min，已經(jīng)滿足要求，并且能夠通過(guò)觸摸屏實(shí)時(shí)編輯，手動(dòng)模式下，手輪外部輸入能控制電機(jī)正反轉(zhuǎn)，自動(dòng)模式下，伺服電機(jī)也能按照設(shè)置的參數(shù)，自動(dòng)運(yùn)轉(zhuǎn)，速度誤差也在合理范圍之內(nèi)。實(shí)踐證明該控制方案可行。

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