PLC控制伺服電機應(yīng)用實例

./PLC控制伺服電機應(yīng)用實例,寫出組成整個系統(tǒng)的PLC模塊及外圍器件,并附相關(guān)程序。

PLC品牌不限。以松下FP1系列PLC和A4系列伺服驅(qū)動為例,編制控制伺服電機定長正、反旋轉(zhuǎn)的PLC程序并設(shè)計外圍接線圖,此方案不采用松下的位置控制模塊FPG--PP11\12\21\22等,而是用晶體管輸出式的PLC,讓其特定輸出點給出位置指令脈沖串,直接發(fā)送到伺服輸入端,此時松下A4伺服工作在位置模式。在PLC程序中設(shè)定伺服電機旋轉(zhuǎn)速度,單位為〔rpm,設(shè)伺服電機設(shè)定為1000個脈沖轉(zhuǎn)一圈。PLC輸出脈沖頻率=〔速度設(shè)定值/6*100〔HZ。假設(shè)該伺服系統(tǒng)的驅(qū)動直線定位精度為±0.1mm,伺服電機每轉(zhuǎn)一圈滾珠絲杠副移動10mm,伺服電機轉(zhuǎn)一圈需要的脈沖數(shù)為1000,故該系統(tǒng)的脈沖當(dāng)量或者說驅(qū)動分辨率為0.01mm<一個絲>；PLC輸出脈沖數(shù)=長度設(shè)定值*10。

以上的結(jié)論是在伺服電機參數(shù)設(shè)定完的基礎(chǔ)上得出的。也就是說,在計算PLC發(fā)出脈沖頻率與脈沖前,先根據(jù)機械條件,綜合考慮精度與速度要求設(shè)定好伺服電機的電子齒輪比！大致過程如下：

機械機構(gòu)確定后,伺服電機轉(zhuǎn)動一圈的行走長度已經(jīng)固定〔如上面所說的10mm,設(shè)計要求的定位精度為0.1mm<10個絲>。為了保證此精度,一般情況下是讓一個脈沖的行走長度低于0.1mm,如設(shè)定一個脈沖的行走長度為如上所述的0.01mm,于是電機轉(zhuǎn)一圈所需要脈沖數(shù)即為1000個脈沖。此種設(shè)定當(dāng)電機速度要求為1200轉(zhuǎn)/分時,PLC應(yīng)該發(fā)出的脈沖頻率為20K。松下FP140T的PLC的CPU本體可以發(fā)脈沖頻率為50KHz,完全可以滿足要求。

如果電機轉(zhuǎn)動一圈為100mm,設(shè)定一個脈沖行走仍然是0.01mm,電機轉(zhuǎn)一圈所需要脈沖數(shù)即為10000個脈沖,電機速度為1200轉(zhuǎn)時所需要脈沖頻率就是200K。PLC的CPU輸出點工作頻率就不夠了。需要位置控制專用模塊等方式。

有了以上頻率與脈沖數(shù)的算法就只需應(yīng)用PLC的相應(yīng)脈沖指令發(fā)出脈沖即可實現(xiàn)控制了。假設(shè)使用松下A4伺服,其工作在位置模式,伺服電機參數(shù)設(shè)置與接線方式如下：

一、按照伺服電機驅(qū)動器說明書上的"位置控制模式控制信號接線圖"接線：

pin3<PULS1>,pin4<PULS2>為脈沖信號端子,PULS1連接直流電源正極<24V電源需串連2K左右的電阻>,PULS2連接控制器<如PLC的輸出端子>。

pin5<SIGN1>,pin6<SIGN2>為控制方向信號端子,SIGN1連接直流電源正極<24V電源需串連2K左右的電阻>,SIGN2連接控制器<如PLC的輸出端子>。當(dāng)此端子接收信號變化時,伺服電機的運轉(zhuǎn)方向改變。實際運轉(zhuǎn)方向由伺服電機驅(qū)動器的P41,P42這兩個參數(shù)控制,pin7<com+>與外接24V直流電源的正極相連。pin29<SRV-0N>,伺服使能信號,此端子與外接24V直流電源的負(fù)極相連,則伺服電機進入使能狀態(tài),通俗地講就是伺服電機已經(jīng)準(zhǔn)備好,接收脈沖即可以運轉(zhuǎn)。

上面所述的六根線連接完畢<電源、編碼器、電機線當(dāng)然不能忘>,伺服電機即可根據(jù)控制器發(fā)出的脈沖與方向信號運轉(zhuǎn)。其他的信號端子,如伺服報警、偏差計數(shù)清零、定位完成等可根據(jù)您的要求接入控制器構(gòu)成更完善的控制系統(tǒng)。

二、設(shè)置伺服電機驅(qū)動器的參數(shù)。

1、Pr02控制模式選擇,設(shè)定Pr02參數(shù)為0或是3或是4。3與4的區(qū)別在于當(dāng)32<C-MODE>端子為短路時,控制模式相應(yīng)變?yōu)樗俣饶Ｊ交蚴寝D(zhuǎn)矩模式,而設(shè)為0,則只為位置控制模式。如果您只要求位置控制的話,Pr02設(shè)定為0或是3或是4是一樣的。

2、Pr10,Pr11,Pr12增益與積分調(diào)整,在運行中根據(jù)伺服電機的運行情況相應(yīng)調(diào)整,達到伺服電機運行平穩(wěn)。當(dāng)然其他的參數(shù)也需要調(diào)整<Pr13,Pr14,Pr15,Pr16,Pr20也是很重要的參數(shù)>,在您不太熟悉前只調(diào)整這三個參數(shù)也可以滿足基本的要求.

。

3、Pr40指令脈沖輸入選擇,默認(rèn)為光耦輸入<設(shè)為0>即可。也就是選擇3<PULS1>,4<PULS2>,5<SIGN1>,6<SIGN2>這四個端子輸入脈沖與方向信號。

4、Pr41,Pr42簡單地說就是控制伺服電機運轉(zhuǎn)方向。Pr41設(shè)為0時,Pr42設(shè)為3,則5<SIGN1>,6<SIGN2>導(dǎo)通時為正方向<CCW>,反之為反方向<CW>。Pr41設(shè)為1時,Pr42設(shè)為3,則5<SIGN1>,6<SIGN2>斷開時為正方向<CCW>,反之為反方向<CW>,正、反方向是相對的,看您如何定義了,正確的說法應(yīng)該為CCW,CW

。

5、Pr48、Pr4A、Pr4B電子齒輪比設(shè)定。此為重要參數(shù),其作用就是控制電機的運轉(zhuǎn)速度與控制器發(fā)送一個脈沖時電機的行走長度。

其公式為：

伺服電機每轉(zhuǎn)一圈所需的脈沖數(shù)=編碼器分辨率×Pr4B／<Pr48×2^Pr4A>

伺服電機所配編碼器如果為：2500p/r5線制增量式編碼器,則編碼器分辨率為10000p/r

如您連接伺服電機軸的絲桿間距為20mm,您要做到控制器發(fā)送一個脈沖伺服電機行走長度為一個絲<0.01mm>。計算得知：伺服電機轉(zhuǎn)一圈需要2000個脈沖<每轉(zhuǎn)一圈所需脈沖確定了,脈沖頻率與伺服電機的速度的關(guān)系也就確定了>

。

三個參數(shù)可以設(shè)定為：Pr4A=0,Pr48=10000,Pr4B=2000,約分一下則為：Pr4A=0,Pr48=100,Pr4B=20。

從上面的敘述可知：設(shè)定Pr48、Pr4A、Pr4B這三個參數(shù)是根據(jù)我們控制器所能發(fā)送的最大脈沖頻率與工藝所要求的精度。在控制器的最大發(fā)送脈沖頻率確定后,工藝精度要求越高,則伺服電機能達到的最大速度越低。松下FP140T型PLC的程序梯型圖如下：

S7—200PLC在數(shù)字伺服電機控制中的應(yīng)用

首先了解plc如何控制伺服電機

1、電機的連線及控制

本應(yīng)用實例選擇的是位置控制模式,脈沖輸入方式有集電極開路方式和差動驅(qū)動方式兩種,為了方便的實現(xiàn)同時對兩部電機的控制,采用差動驅(qū)動方式。與PLC的接線圖如圖所示。

PLC與伺服放大器接線圖

圖中L+為公共PLC端子,接24VDC正端,通過控制內(nèi)部晶體管的開關(guān)使得輸出Q呈現(xiàn)不同的電平信號或發(fā)出脈沖信號。L+一PG—PlM—L+為脈沖輸入回路,PLC控制該回路中的發(fā)光二極管的亮滅,形成脈沖編碼輸入。L+一NG—NP一1M—L+為電機旋轉(zhuǎn)方向控制回路,當(dāng)該回路的發(fā)光二極管點亮?xí)r,電機正轉(zhuǎn),否則反轉(zhuǎn)。由于伺服放大器內(nèi)部電阻只有100歐,為

了防止電流過大燒壞內(nèi)部的發(fā)光二極管,需要外接電阻R,其阻值的計算如下：根據(jù)公式<1>,可以選擇R=3．9KO2、電子齒輪比

數(shù)字交流伺服系統(tǒng)具有位置控制的功能,可通過上位控制器發(fā)出位置指令脈沖。而伺服系統(tǒng)的位置反饋脈沖當(dāng)量由編碼器的分辨率及電機每轉(zhuǎn)對應(yīng)的機械位移量等決定。當(dāng)指令脈沖當(dāng)量與位置反饋脈沖當(dāng)量二者不一致時,就需要使用電子齒輪使二者匹配。使用了電子齒輪功能,就可以任意決定一個輸入脈沖所相當(dāng)?shù)碾姍C位移量。具有電子齒輪功能的伺服系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3所示。若機械傳動機構(gòu)的螺距為w,指令脈沖當(dāng)量為△L,編碼器每轉(zhuǎn)脈沖數(shù)為P,又考慮到一般電機軸與傳動絲杠為直接相連,則位置反饋脈沖當(dāng)量△=W／4P。

具有電子齒輪功能的伺服系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

由于脈沖當(dāng)量與反饋脈沖當(dāng)量不一定相等,就需要使用電子齒輪比來建立兩者的關(guān)系。具體計算公式為：AL=3M×CMX/CDV

。因此根據(jù)一個指令脈沖的位置當(dāng)量和反饋脈沖的位置當(dāng)量,就可以確定具體的電子齒輪比。三菱該系列伺服電機的電子齒輪比的設(shè)定范圍對于輸入的脈沖,可以乘上其中任意倍率使機械運行。下面是plc控制私服的具體應(yīng)用3、PIC控制原理及控制模型

本例采用了西門子s7．200系列CPU226作為主控制器。它是s7．200系列中的高檔PLC,本機自帶24個數(shù)字輸人口、l6個數(shù)字輸出口及兩個RS-422／485串行通訊口,最多可擴展7個應(yīng)用模塊j。實際項目中,通過擴展EM231模擬量輸入模塊來采集電壓信號,輸入的模擬信號可在0～10V±5V、0～20mA等多種信號輸入方式中選擇。最終,PLC根據(jù)輸入電壓信號的大小控制脈沖發(fā)送周期的長短,從而達到控制伺服電機速度的目的。

3.1高速數(shù)字脈沖輸出

西門子s7．200系列AC／DC／DC<交流供電,直流I/O>類型PLC上集成了兩個高速脈沖輸出口,兩個高速脈沖輸出口分別

通過Qo．0、Qo．1兩個輸出端子輸出,輸出時可選擇PWM<脈寬調(diào)制>和PIO<脈沖串>方式。PIO方式每次只能發(fā)出固定脈沖,脈沖開始發(fā)送后直到發(fā)送完畢才能開始新的脈沖串；PWM方式相對靈活,在脈沖發(fā)送期間可隨時改變脈沖周期及寬度,其中脈沖周期可以選擇微秒級或毫秒級。

3.2PID功能特性

該系列PLC可以通過PID回路指令來進行PID運算,在一個程序中最多可以用8條PID指令,既最多可同時實現(xiàn)8個PID

控制算法。在實際程序設(shè)計中,可用STEP7-Micro／Win32中的PID向?qū)С绦騺硗瓿梢粋€閉環(huán)控制過程的PID算法,從而提高

程序設(shè)計效率。

3.3控制模型

控制模型方框圖如下圖所示,其中Uset為極間電壓給定值<此時產(chǎn)氣狀態(tài)最佳>,Uf為極間電壓采樣值,Vout為伺服電機

運轉(zhuǎn)速度。通過對電弧電壓采樣值與弧間電壓給定值的比較并經(jīng)過PLC的PID調(diào)節(jié)回路控制,可以得出用于控制伺服電機旋

轉(zhuǎn)的脈沖發(fā)送周期T,從而使伺服電機的送棒速度不停的得到調(diào)整,這樣就達到了控制兩極間距的目的。保證了兩極間距的

相對穩(wěn)定,也就保證了極間電壓的穩(wěn)定性。

PID調(diào)節(jié)控制原理框圖

根據(jù)極間距對極間電壓的影響,可以設(shè)定PLC的PID調(diào)節(jié)回路調(diào)整策略如下：

Uset—uf<0,T減小；

Uset—uf>0,T增大。

通過上述控制方法,能夠比較精確的實現(xiàn)對UF的控制。4、程序設(shè)計

以下應(yīng)用程序是經(jīng)過簡化的,沒有涉及異常情況。其設(shè)計以本文前面所述方法及原理為依據(jù),并給出了詳盡的程序注釋。

4.1主程序

NErW0RK1

①IJDSM0．1

／／SM0．1=1僅第一次掃描有效

②MOVW+0,VW450

／／PID中斷計數(shù)器初始化

③MOVB100,SMB34

／／設(shè)置定時中斷時間間隔為lOOms

④ATCHINT—PWM—PID,10

／／設(shè)定中斷,啟動PID執(zhí)行

⑤ENI//開中斷

4．2中斷程序

①NETWORK1

LDSM0．0

／／SM0．0=1每個掃描周期都有效

ICWV

VW450

／／調(diào)用中斷程序次數(shù)加1

②NETWORK2

LDW>=VW450．+10

／／檢查是否應(yīng)進行PID計算

M0VW+0,VW450

／／如果如此,清計數(shù)器并繼續(xù)

N0T

JMP0

／／否則,轉(zhuǎn)人中斷程序結(jié)尾

③NETWORK3

／／計算并裝載PIDPV<過程變量>

IDSM0．0

RPSXORWVW464,VW464

／／清除工作區(qū)域

M0VWArW0．VW466

／／讀取模擬數(shù)值

AV466．7

M0VW16#FFFF．VW464

／／檢查符號位,若為負(fù)則擴展符號

LRD

DTR

VD464．VD396

／／將其轉(zhuǎn)化成實數(shù)并裝載人PV

LPP

／R32000．0,VD396

／／正?；?．0至1．0之間的數(shù)值

④NETWORK4

IDSM0．0

MOVRVIM00,VIM00

／／VIM00為設(shè)定值

⑤⑥NETWORK6

IDSM0．0

PIDVB396,0

／／進行PID計算

⑦NETWORK7

LDSM0．0

M0vRVD404．VD464

／／裝載PID輸出至工作區(qū)

+RVD400,VD464

*R1000．0.VIM64

／／縮放數(shù)值TRUNCVD464,VD464

／／將數(shù)值轉(zhuǎn)化成整數(shù)

MOVWVW466．VW1000

／／VW1000為PLC輸出脈沖周期

⑧NETWORK8

／／伺服電機右反轉(zhuǎn)控制<PWM>

／／SMW68／78lIFO周期值

／／SMW70／80PWM脈沖寬度

／／SMD72／82lIFO脈沖計數(shù)值

LDSM0．0

MOVB16#D3．SMB77

／／輸出脈沖周期為500微秒

MOVWVW1000,SMW78

MOVWVW1000．VW1118

／I+2．VWl118

MOVWVW1118．SMW80

PIS1

⑨NETWORK9

LBL

0本例給出了利用西門子PLC的高速脈沖輸出及PID控制功能,實現(xiàn)對數(shù)字式交流伺服電機進行控制的原理及相應(yīng)編程方法。此控制方法已成功用于水燃氣生產(chǎn)控制系統(tǒng)中,效果良好基于1756-M08SE模塊的多軸交流伺服控制系統(tǒng)〔二軸

由于開發(fā)程序較大,這里我們只給出伺服的點動,正反向,等的控制！先介紹如下：總體概述：羅克韋爾伺服傳動習(xí)慣于用EQU<等于指令>比較數(shù)字量輸入模塊0號位輸入次數(shù)的奇偶次數(shù)來分別控制伺服環(huán)的閉合和斷開。其中MSO指令用于直接激活伺服驅(qū)動器并且使能與物理伺服軸相關(guān)的已組態(tài)伺服環(huán)。觸發(fā)MSO指令后,指定軸進入伺服控制狀態(tài)。當(dāng)軸處于移動狀態(tài)時,執(zhí)行該指令無效。如果這時觸發(fā)了該指令,MSO指令會產(chǎn)生一個"AxisinMotion"的故障。MSF指令用于直接立即關(guān)斷伺服驅(qū)動器輸出,并且禁止物理伺服軸的伺服環(huán)。這會使軸處于準(zhǔn)備狀態(tài)。該指令可以禁止任意正在執(zhí)行的其他運動規(guī)劃。且若需要直接用手來移動軸時,可以用該指令關(guān)斷伺服操作。

要成功執(zhí)行以上兩條運動狀態(tài)指令,有個必要的前提,即目標(biāo)軸必須組態(tài)為伺服軸,如果該條件不滿足,該指令會產(chǎn)生錯誤。

建立坐標(biāo)也是主程序中一個非常重要的環(huán)節(jié)。無論是在工業(yè)現(xiàn)場或者是其它地方的運動控制系統(tǒng)中,基本上都須要建立一個坐標(biāo)系。若不建立一個坐標(biāo)系,雖然可以用增量式的控制方式來實現(xiàn)一些簡單的控制,但是這樣的方式不能實現(xiàn)對實際位置的反饋等操作,而且控制方式復(fù)雜。所以在成熟合理的控制系統(tǒng)中建立坐標(biāo)系是必不可少的一個環(huán)節(jié)。坐標(biāo)系的建立可以使控制變得很方便,且可實現(xiàn)對系統(tǒng)當(dāng)前所在位置的實時反饋等功能。

本次設(shè)計所控制的軸為以羅克韋爾公司型號為Y-1002-2-H00AA的電動驅(qū)動的兩根絲桿。絲桿長330mm,每個螺距為5mm,其實物如圖1所示?！菜欧S系統(tǒng)的架構(gòu)如下圖：系統(tǒng)的實現(xiàn)