基于S7-200Smart PLC的高性能交流伺服控制系統(tǒng)設(shè)計

丁惠忠

(沙洲職業(yè)工學(xué)院 電子信息工程系， 江蘇 張家港 215600)

0 引言

近些年隨著微電子技術(shù)、稀土永磁技術(shù)、傳感器技術(shù)、電機控制策略及電力電子技術(shù)的不斷發(fā)展，全數(shù)字化的高性能交流伺服控制系統(tǒng)的運用與研究也逐步增多，由于伺服控制系統(tǒng)是當(dāng)前機械系統(tǒng)的主要的執(zhí)行部分，它的優(yōu)劣程度直接關(guān)乎到整體機械系統(tǒng)的性能[1]。高性能交流伺服控制系統(tǒng)隨著微處理器的急速發(fā)展及矢量控制技術(shù)的產(chǎn)生達到可逐漸代替直流伺服控制系統(tǒng)的程度，被越來越多的國內(nèi)外學(xué)者研究并開發(fā)利用，該技術(shù)主要運用于雷達、機器人、火炮及數(shù)控機床等高精準(zhǔn)定位需求的領(lǐng)域[2-3]。以往的伺服控制系統(tǒng)所使用的控制器雖結(jié)構(gòu)簡單，但其在交流伺服控制系統(tǒng)的參數(shù)發(fā)生改變時、交流電動機或被控制對象具備較高的非線性特點時或交流伺服控制系統(tǒng)遭受不同負載干擾時等狀況下控制效果較低，且精度差，響應(yīng)效率低下，無法達到高性能交流伺服控制系統(tǒng)的高精度需求[4]。

S7-200Smart PLC為西門子公司所研發(fā)的高性價比小型PLC產(chǎn)品，與以往的控制器相比，該產(chǎn)品具有超高的處理效率、超迅速的調(diào)速及定位功能等特點，CPU模塊能夠支持多種輸出方式和運動模式，控制性能優(yōu)越，便于固件升級與程序更新，運用范圍較廣[5-6]。

因此本文設(shè)計基于S7-200Smart PLC的高性能交流伺服控制系統(tǒng)，提升當(dāng)前機械系統(tǒng)中伺服控制系統(tǒng)的精度與性能。

1 高性能交流伺服控制系統(tǒng)設(shè)計

1.1 系統(tǒng)構(gòu)成及原理

由光電傳感器、西門子系統(tǒng)S7-200Smart PLC、伺服驅(qū)動器、編碼器、伺服電機、觸摸屏及電磁閥等構(gòu)成基于S7-200Smart PLC的高性能交流伺服控制系統(tǒng),如圖1所示。

將S7-200Smart PLC作為整體系統(tǒng)的中間控制裝置，連接光電傳感器與伺服驅(qū)動器，并通過與電子觸摸屏的交互實現(xiàn)系統(tǒng)的控制功能。系統(tǒng)通電之后，由光電傳感器[7]對輸入信號實行檢測，如果檢測到有信號輸入，則將任務(wù)傳輸?shù)絇LC，通過編碼器編寫PLC程序后，采用觸摸屏控制將編寫好的PLC程序?qū)?yīng)傳輸?shù)剿欧?qū)動器，由伺服驅(qū)動器執(zhí)行尋原點操作，從初始位置向檢測裝置移動，并在伺服驅(qū)動下執(zhí)行對應(yīng)任務(wù)，執(zhí)行結(jié)束后伺服驅(qū)動器回到初始位置，待下次PLC傳輸任務(wù)時，繼續(xù)以上述步驟循環(huán)執(zhí)行不同任務(wù)，實現(xiàn)系統(tǒng)的控制。

圖1 系統(tǒng)構(gòu)成圖

1.2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

1.2.1 主控制器PLC

PLC為連接系統(tǒng)中光電傳感器與伺服驅(qū)動器的中間裝置，屬于一種工業(yè)計算機，其特征為操作簡單、便于編程、模塊化結(jié)構(gòu)、較高的抗干擾性、較高的可靠性等，它能夠代替繼電器的定時、順位控制、計數(shù)及邏輯等功能，實現(xiàn)系統(tǒng)的可編程控制[8]。本文系統(tǒng)的控制主要表現(xiàn)在數(shù)字量方面，以輸入輸出信號的類別、控制需求及數(shù)量為依據(jù)，并按照I/O點數(shù)20%～30%的備用量原則，選取CPU型號為ST50、具備的數(shù)字輸入點與輸出點分別為36個和24個的西門子S7-200Smart PLC。PLC的外部接線情況,如圖2所示。

圖2 PLC外部接線圖

組成閉合電路為輸入輸出信號接線的主要目的。數(shù)字量輸入均為24 V直流信號，其輸入支持源型與漏型，也就是同NPN型與PNP型傳感器所輸出的傳感器信號相對應(yīng)的類型[9-10]。對于電源為24 V的傳感器，其PNP型輸出為24 V，NPN型輸出為0 V。接入傳感器到PLC，如果選擇PNP型輸出，那么PLC的輸入端COM應(yīng)連接0 V；如果選擇NPN型輸出，那么PLC的輸入端COM應(yīng)連接24 V。因PLC的全部輸入點均通用同一個公共端，故所選用的傳感器應(yīng)為同一類別，即PNP型或者NPN型[11]。在此本文系統(tǒng)選用NPN型傳感器，也就是在PLC的公共端連接24 V。

1.2.2 伺服驅(qū)動器

伺服驅(qū)動器采用富士UG221H-SR4，其接口包括：編碼器信號連接器CN2、主電源控制電源輸入連接器CNA、伺服電機動力連接器CNC、外部再生電阻與DC電抗器連接器CNB、通用輸入輸出連接器CN1?？刂齐娫炊俗优c主電源端子CNA連接單相AC220V電源，同時具備濾波與保護電路[12]；伺服電機的閉環(huán)控制由AB相增量式編碼器連接CN2接口組成；伺服電機的控制通過連接上位控制器(S7-200Smart PLC)與CN1接口實現(xiàn)。伺服驅(qū)動器電路連接情況,如圖3所示。

圖3 伺服驅(qū)動器電路圖

設(shè)定位置控制模式為伺服驅(qū)動器的運行模式，伺服電機的旋轉(zhuǎn)位移和旋轉(zhuǎn)速率分別受脈沖數(shù)量與脈沖頻率的影響[13]。

1.2.3 PLC控制電路

作為伺服驅(qū)動器上位控制器的S7-200Smart PLC，其CPU ST50模塊的三個輸出端子P0、P1、P3能夠提供三軸100 kHz高速脈沖輸出，依次向三臺伺服驅(qū)動器的CN1-28引腳接入，向驅(qū)動器CN1-26引腳接入方向控制信號P2、P7、P10。向PLC的B0端子接入零點定位行程開關(guān)SQ1，向PLC的B1和B2端子依次接入電機正反轉(zhuǎn)行程限位開關(guān)SQ2和SQ3。依次向B3與B4端子接入編碼器的A、B相脈沖輸入，伺服電機編碼器的反饋位移量通過PLC的急速計數(shù)器HSC9計算，形成閉環(huán)控制系統(tǒng)，PLC與伺服驅(qū)動器連接電路圖,如圖4所示。

圖4 PLC與伺服驅(qū)動器連接電路圖

因伺服驅(qū)動的控制信號為+5 V，而系統(tǒng)所采用的PLC輸出信號為+24 V，故應(yīng)串聯(lián)一只2 kΩ的電阻在伺服驅(qū)動器與PLC之間，令輸入信號近似+5 V，達到分壓效果。同時因為系統(tǒng)PLC選擇NPN型傳感器連接，所以伺服驅(qū)動器與PLC間需以共地連接的方式實現(xiàn)回路。

1.3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

1.3.1 PLC程序設(shè)計

S7-200Smart PLC的CPU ST50模塊的高速脈沖輸出功能由STEP 7-Micro/WIN SMART的設(shè)置向?qū)ЫM態(tài)作為控制輸出或者PWM輸出，提供簡便的解決方式實現(xiàn)伺服電機的位置與速度控制，能夠達到小型機械裝置的準(zhǔn)確定位要求[14]。

(1) PLC程序編寫

PLC控制器在實現(xiàn)外部接線后，可對其實行編程調(diào)試。本文系統(tǒng)的控制方式有自動與手動控制兩種，其中在檢測單獨設(shè)備性能時更多應(yīng)用手動控制，且通過在系統(tǒng)程序中設(shè)定聯(lián)鎖保護，防止手動控制時產(chǎn)生碰撞等事故；自動控制能夠劃分系統(tǒng)為伺服運行程序模塊、主程序模塊、手動控制模塊及次程序模塊，并依次對不同模塊的運行動態(tài)程序進行編寫，在主程序塊內(nèi)體現(xiàn)出聯(lián)鎖關(guān)系[15-16]。編寫時應(yīng)特別留意的是運作時若出現(xiàn)急停等設(shè)備報警現(xiàn)象時，解決方式應(yīng)以提升控制效果且降低人力干預(yù)為前提，迅速處理故障問題。

(2) PLC主程序

在PLC主程序中調(diào)用手動控制模塊MAN、驅(qū)動器使能模塊DIS及初始化模塊CTRL，控制向?qū)LC主程序圖，如圖5所示。

圖5 控制向?qū)LC主程序圖

應(yīng)首先調(diào)用初始化模塊，否則將產(chǎn)生PLC脈沖輸出，且電機無法常規(guī)運行[17]；電機的運行方向與速度分別通過手動控制模塊內(nèi)的Dir與Speed控制，程序編寫時僅需通過MOV命令設(shè)定各個時刻的各種方向信號與速度值，系統(tǒng)需以800個脈沖實現(xiàn)伺服電機一周的旋轉(zhuǎn)，在系統(tǒng)開啟時伺服電機的運行速度為4圈/秒，也就是3 200個脈沖/秒，故在此設(shè)定VD116為3200。

1.3.2 軟件編程設(shè)計

系統(tǒng)通過順位控制設(shè)計方式單獨設(shè)計一個子程序，同時向另一個子程序內(nèi)單獨放入伺服控制的對應(yīng)程序塊，系統(tǒng)軟件功能模塊包括初始化運動軸功能塊、運動軸移動功能塊、啟用功能塊及找尋參考點功能塊等。詳細程序流程,如圖6所示。

圖6 詳細程序流程圖

可以看出完成系統(tǒng)初始化后，通過光電傳感器檢測到信號后，調(diào)用伺服運行控制子程序，并在伺服控制初始化后自動尋找初始位置，依據(jù)標(biāo)志位同不同軸坐標(biāo)，調(diào)用伺服功能模塊并驅(qū)動伺服電機執(zhí)行對應(yīng)的控制任務(wù)。

基于以上流程，進行詳細程序的關(guān)鍵代碼設(shè)計，如圖7所示。

圖7 詳細程序的關(guān)鍵代碼設(shè)計

2 仿真實驗分析

為檢驗本文系統(tǒng)的合理性及性能，通過Matlab軟件創(chuàng)建本文系統(tǒng)的仿真系統(tǒng)，隨機選取一臺伺服電機作為實驗對象，并采用本文系統(tǒng)對此實驗伺服電機進行控制，測試控制過程中本文系統(tǒng)的控制效果，實驗伺服電機參數(shù)如表1所示。

表1 實驗伺服電機參數(shù)

設(shè)定本文系統(tǒng)的位置命令參考值為4 rad，通過本文系統(tǒng)控制實驗伺服電機，檢驗控制過程中本文系統(tǒng)的速度響應(yīng)及轉(zhuǎn)角位置響應(yīng)情況，如圖8所示。

(a) 速度響應(yīng)情況

(b) 位置響應(yīng)情況

通過圖8能夠看出，本文系統(tǒng)的整個運行過程為前高速后低速的過程，同時前后高低速度過渡時平緩無振蕩，應(yīng)對位置命令時可在0.9 s內(nèi)完成，響應(yīng)速度較快，且未發(fā)生超調(diào)現(xiàn)象，由此說明，本文系統(tǒng)響應(yīng)能力好、性能優(yōu)越。

分別通過本文系統(tǒng)和PI控制系統(tǒng)控制實驗電機，在控制時間到達0.3 s時，突然向?qū)嶒炿姍C增加額定負載，得出不同系統(tǒng)控制下實驗電機的轉(zhuǎn)速與標(biāo)準(zhǔn)伺服電機轉(zhuǎn)速的對比情況，進一步檢驗本文系統(tǒng)的控制性能，如圖9所示。

圖9 電機轉(zhuǎn)速對比情況

通過分析圖9可得出，在突然向?qū)嶒炈欧姍C增加額定負載的情況下，通過本文系統(tǒng)控制后其轉(zhuǎn)速依然能夠與伺服電機的標(biāo)準(zhǔn)轉(zhuǎn)速保持一致，說明本文系統(tǒng)的控制準(zhǔn)確性好，且具備較強的抗擾動性能及控制性能。

繼續(xù)采用本文系統(tǒng)與PID控制系統(tǒng)對實驗伺服電機實行控制，設(shè)置控制時所期望的位置信號為0.3 rad，并在控制達到0.03 s時向?qū)嶒炿姍C突然施加0.6 Nm的負載，對比兩種系統(tǒng)的控制效果，如圖10所示。

(a) PID控制系統(tǒng)控制效果

(b) 本文系統(tǒng)控制效果

通過圖10能得出，本文系統(tǒng)與PID控制系統(tǒng)相比具有更高的抗干擾性能，位置信號響應(yīng)速率高且未出現(xiàn)超調(diào)，說明本文系統(tǒng)性能優(yōu)越，具有更理想的控制效果。

3 總結(jié)

本文設(shè)計基于S7-200Smart PLC的高性能交流伺服控制系統(tǒng)，因西門子S7-200Smart PLC具有體型小、處理效率高等優(yōu)點，且能夠?qū)崿F(xiàn)急速調(diào)速與定位功能，其CPU模塊具備多種運動模式及輸出方式，可達到理想的控制效果，故采用西門子S7-200Smart PLC作為本文系統(tǒng)的中間控制裝置。通過仿真實驗檢測本文系統(tǒng)的控制效果得到，本文系統(tǒng)較高的響應(yīng)效率與抗干擾性能，以及十分優(yōu)越的控制效果。在未來的研究中會繼續(xù)對本文系統(tǒng)進行驗證，通過將本文系統(tǒng)應(yīng)用于機械系統(tǒng)中，進一步提升本文系統(tǒng)的實際控制效果。