基于S7—200PLC的伺服電機位置控制系統(tǒng)

王麗平 陳光偉

摘 要：文章設(shè)計一個伺服電機位置控制系統(tǒng)，以西門子S7-200PLC為控制單元，通過高速脈沖輸出控制伺服驅(qū)動器，驅(qū)動伺服電動機帶動機械手運動，利用伺服電機上的編碼器發(fā)出的脈沖信號構(gòu)成位置反饋，從而可以實現(xiàn)機械手的準確位置控制。

關(guān)鍵詞：伺服電機；位置控制；高速脈沖

引言

文章是以亞龍YL-335B型自動化生產(chǎn)線為平臺，該生產(chǎn)線中的輸送站是最重要的站點，其主要任務(wù)是驅(qū)動其抓取機械手裝置精確定位到指定單元的物料臺，在物料臺上抓取工件，把抓取到的工件輸送到指定地點然后放下。文章通過S7-200PLC、伺服電機、伺服驅(qū)動器及抓取機械手組成伺服電機位置控制系統(tǒng)，利用PLC的高速脈沖輸出功能，通過PTO編程實現(xiàn)機械手的準確位置控制。

1 伺服電機位置控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計

1.1 硬件組成

文章設(shè)計的伺服電機位置控制系統(tǒng)由PLC、伺服驅(qū)動器、伺服電機和抓取機械手等組成，是一個閉環(huán)系統(tǒng)。其工作原理是PLC輸出高速脈沖信號給驅(qū)動器，通過驅(qū)動電機等傳動機構(gòu)帶動機械手移動，同時驅(qū)動電機自帶的編碼器反饋位置脈沖數(shù)給驅(qū)動器，驅(qū)動器對兩種脈沖進行比較并確定偏差，按一定控制規(guī)律運算后得到的校正信號作為伺服驅(qū)動器中速度控制器的給定，再經(jīng)電流調(diào)節(jié)與功率放大，使抓取機械手朝消除偏差的方向運動，從而實現(xiàn)機械手的精確定位。

PLC選用SIEMENS公司的S7-200系列PLC，由于需要輸出高速脈沖驅(qū)動伺服電機，PLC采用晶體管輸出型。故選用S7-200-226 DC/DC/DC型PLC。伺服驅(qū)動器采用松下MADDT1207003全數(shù)字交流永磁同步伺服驅(qū)動裝置。抓取機械手裝置整體安裝在直線運動傳動組件的滑動溜板上，在傳動組件帶動下整體作直線往復(fù)運動，定位到其他各工作單元的物料臺，然后完成抓取和放下工件的功能。

1.2 伺服電機和伺服驅(qū)動器概述

伺服電機內(nèi)部的轉(zhuǎn)子是永磁鐵，驅(qū)動器控制的U/V/W三相電形成電磁場，轉(zhuǎn)子在此磁場的作用下轉(zhuǎn)動，同時電機自帶的編碼器反饋信號給驅(qū)動器，驅(qū)動器根據(jù)反饋值與目標值進行比較，調(diào)整轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動的角度[1]。伺服電機的精度決定于編碼器的線數(shù)。

交流永磁同步伺服驅(qū)動器主要有伺服控制單元、功率驅(qū)動單元、通訊接口單元、伺服電動機及相應(yīng)的反饋檢測器件組成。YL-335B型自動化生產(chǎn)線的輸送單元中，伺服電機用于定位控制，故選用位置控制模式，即通過輸入脈沖串來使電機定位運行，脈沖串頻率決定電機轉(zhuǎn)速，即機械手的運動速度；脈沖數(shù)量決定電機的旋轉(zhuǎn)位移，即機械手的直線位移。伺服驅(qū)動器的參數(shù)可采用自動增益調(diào)整模式在驅(qū)動器的面板上進行設(shè)定。

1.3 硬件接線圖

伺服電動機、伺服驅(qū)動器和PLC的電氣接線包括：伺服驅(qū)動器主電源和控制電源接線、電機接線U、V、W和PE；伺服電機的光電編碼器與伺服驅(qū)動器編碼器接口X6的接線；PLC控制器與伺服驅(qū)動器I/O接口X5的接線。硬件接線圖如圖1所示。

圖1 硬件接線圖

2 程序設(shè)計

2.1 控制要求

要求按下啟動按鈕，伺服電機拖動機械手從供料站移動到加工站（470mm），再從加工站到裝配站（286mm），再從裝配站到分揀站（235mm），然后反方向退回原點；按下急停按鈕或者碰到兩端限位開關(guān)及原點開關(guān)時機械手停止運行。

2.2 PTO的認知與編程

SIEMENS公司S7-200PLC可提供2個內(nèi)置高速脈沖發(fā)生器，可以通過PLC的Q0.0或Q.1輸出端產(chǎn)生高速脈沖，用來驅(qū)動伺服電動機實現(xiàn)速度和位置控制。高速脈沖的輸出有兩種方式，脈沖串輸出（PTO）和脈寬調(diào)制輸出（PWM）。文章是對伺服電機進行位置控制，故選用PTO方式，將Q0.0設(shè)定為PTO功能，輸出一串占空比為50%的脈沖，通過控制脈沖周期和數(shù)量來控制電機的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)角，從而對機械手進行位置控制。

S7-200PLC的PTO編程有三種實現(xiàn)方法：PLS指令編程，脈沖輸出指令編程和STEP7-MicroWIN提供的位置控制向?qū)Ь幊蘙2]。使用STEP7-MicroWIN位置控制向?qū)В梢詭椭脩粼诤芏痰臅r間內(nèi)全部完成PTO組態(tài)。

在使用位置控制控向?qū)е埃紫纫宄欧姍C的運動包絡(luò)，根據(jù)控制要求需配置4個移動包絡(luò)。供料站到加工站，470mm，脈沖量為85600；加工站到裝配站286mm，脈沖數(shù)為52000，裝配站到分揀站，脈沖數(shù)為42700；從分揀站返回原點，反向運行，直至碰到原點開關(guān)。文章中前三個包絡(luò)為相對位置模式，第四個包絡(luò)為單一速度的連續(xù)轉(zhuǎn)動模式。

PTO向?qū)渲貌襟E：（1）在菜單中選擇“工具”→“位置控制向?qū)А泵睿⑦x擇配置PTO/PWM操作。（2）指定一個脈沖發(fā)生器：選擇Q0.0。（3）選擇 PTO方式。（4）指定電機速度：電機最高速度（MAX_SPEED）設(shè)為90000，電機啟動/停止速度（SS_SPEED）為 600。（5）設(shè)置加速和減速時間：加速時間設(shè)為1500ms，減速時間設(shè)為200ms。（6）配置移動包絡(luò)：設(shè)置操作模式、目標速度、結(jié)束位置等指標。（7）指定包絡(luò)數(shù)據(jù)的V內(nèi)存地址：VB75-VB300。

運動包絡(luò)組態(tài)完成后，向?qū)勺映绦颍饕ㄗ映绦騊TO0_CTRL、PTO0_RUN、PTO0_MAN等。PTO0_CTRL子程序用于啟用和初始化伺服電機的PTO輸出；PTO0_RUN子程序用來命令 PLC執(zhí)行存儲在組態(tài)/包絡(luò)表中的指定包絡(luò)運動操作。

調(diào)用位控向?qū)傻淖映绦颍M行程序編寫，把每一個運動包絡(luò)的完成信號作下一個運動包絡(luò)的啟動信號。程序編寫好后，將其下載到PLC中，按下啟動按鈕，抓取機械手就會按照預(yù)先設(shè)定好的運動包絡(luò)進行移動，當機械手碰到左右限位開關(guān)，則PLC停止輸出高速脈沖，機械手減速停止移動。

3 結(jié)束語

文章設(shè)計的伺服電機位置控制系統(tǒng)，在YL-335B自動化生產(chǎn)線上經(jīng)過測試，能夠?qū)崿F(xiàn)機械手的準確位置控制。這種位置控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，抗干擾能力強，定位精準，充分發(fā)揮了PLC和伺服驅(qū)動單元各自的優(yōu)勢，能夠滿足位置控制的性能要求，具有良好的應(yīng)用前景。

參考文獻

[1]顧德仁.基于PLC 的電梯高精度位置控制的實現(xiàn)[J].微計算機信息（測控自動化），2007（23）：61-62.

[2]梁新平.基于PLC的自動線機械手位置控制系統(tǒng)設(shè)計[J].電子設(shè)計工程，2014（7）：86-87.