0 引言

隨著自動(dòng)化水平的不斷提高，越來(lái)越多的工業(yè)控制場(chǎng)合需要精確的位置控制。因此，如何更方便、更準(zhǔn)確地實(shí)現(xiàn)位置控制是工業(yè)控制領(lǐng)域內(nèi)的一個(gè)重要問題。位置控制的精確性主要取決于伺服驅(qū)動(dòng)器和運(yùn)動(dòng)控制器的精度。高端的運(yùn)動(dòng)控制模塊可以對(duì)伺服系統(tǒng)進(jìn)行非常復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)控制。但在有些需要位置控制的場(chǎng)合，其對(duì)位置精度的要求比較高，但運(yùn)動(dòng)的復(fù)雜程度不是很高，這就沒有必要選擇那些昂貴的高端運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)。

S7-200系列PLC是一種體積小、編程簡(jiǎn)單、控制方便的可編程控制器，它提供了多種位置控制方式可供用戶選擇，因此，如何利用該系列PLC實(shí)現(xiàn)對(duì)伺服電機(jī)運(yùn)動(dòng)位置較為精準(zhǔn)的控制是本文的研究重點(diǎn)。

1. 基本控制系統(tǒng)

伺服系統(tǒng)分為液壓伺服系統(tǒng)、電氣－液壓伺服系統(tǒng)以及電氣伺服系統(tǒng)。本文主要討論了電氣伺服系統(tǒng)中的交流伺服系統(tǒng)，其基本組成為交流伺服電機(jī)、編碼器和伺服驅(qū)動(dòng)器。交流伺服系統(tǒng)的工作原理是伺服驅(qū)動(dòng)器發(fā)送運(yùn)動(dòng)命令，驅(qū)動(dòng)伺服電機(jī)運(yùn)動(dòng)，并接收來(lái)自編碼器的反饋信號(hào)，然后重新計(jì)算伺服電機(jī)運(yùn)動(dòng)目標(biāo)位置，從而達(dá)到精確控制伺服電機(jī)運(yùn)動(dòng)。

本伺服系統(tǒng)中選用Exlar公司生產(chǎn)的GSX50-0601型伺服直線電動(dòng)缸。該電動(dòng)缸由普通伺服電機(jī)和一個(gè)行星滾珠絲杠組成，用來(lái)實(shí)現(xiàn)將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)橹本€運(yùn)動(dòng)。此外，選用Xenus公司生產(chǎn)的XenusTM型伺服驅(qū)動(dòng)器。它可以利用RS．232串口通信方式和外部脈沖方式實(shí)現(xiàn)位置控制。

一般來(lái)說(shuō)，一個(gè)伺服系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)需要配置一個(gè)上位機(jī)，所以本系統(tǒng)采用西門子S7-200 PLC作為上位機(jī)控制器。通過高速脈沖輸出、EM253位置控制模塊、自由口通信三種方式控制伺服電機(jī)運(yùn)動(dòng)。

2. 高速脈沖輸出模式

西門子CPU224XP配置兩個(gè)內(nèi)置脈沖發(fā)生器，它有脈沖串輸出(PTO)和脈沖寬度調(diào)制輸出兩種脈沖發(fā)生模式可供選擇。這兩個(gè)脈沖發(fā)生器的最大脈沖輸出頻率為100 kHz。在脈沖串輸出方式中，PLC可生成一個(gè)50％占空比脈沖串，用于步進(jìn)電機(jī)或伺服電機(jī)的速度和位置的控制。

2.1 硬件構(gòu)成

圖1為高速脈沖輸出方式的位置控制原理圖?？刂七^程中，將伺服驅(qū)動(dòng)器工作定義在脈沖+方向模式下，Q0.0發(fā)送脈沖信號(hào)，控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速和目標(biāo)位置；Qo，發(fā)送方向信號(hào)，控制電機(jī)的運(yùn)動(dòng)方向。伺服電動(dòng)缸上帶有左限位開關(guān)LIM一、右限位開關(guān)LIM+以及參考點(diǎn)位置開關(guān)REF。三個(gè)限位信號(hào)分別連接到CPU224XP的I0.0～I(xiàn)0.2三個(gè)端子上，可通過軟件編程，實(shí)現(xiàn)限位和找尋參考點(diǎn)。

圖1 位置控制原理圖

2.2 程序設(shè)計(jì)

高速脈沖串輸出(PTO)可以通過Step 7 Micro/WIN的位置控制向?qū)нM(jìn)行組態(tài)，也可通過軟件編程實(shí)現(xiàn)控制。PTO輸出方式?jīng)]有專門的位置控制指令，只有一條脈沖串輸出指令，而且在脈沖發(fā)送過程中不能停止，也不能修改參數(shù)。為解決以上問題，可以設(shè)置脈沖計(jì)數(shù)值等于10(或更小)，并能使脈沖發(fā)送指令PLS處于激活狀態(tài)。這樣，就可以在任一脈沖串發(fā)送完之后修改脈沖周期。

圖2為高速脈沖輸出方式位置控制流程圖?？刂扑悸窞椋和ㄟ^PTO模式輸出，可以控制脈沖的周期和個(gè)數(shù)；通過啟用高速計(jì)數(shù)器HSC，對(duì)輸出脈沖進(jìn)行實(shí)時(shí)計(jì)數(shù)和定位控制，以控制伺服電機(jī)的運(yùn)動(dòng)過程。

圖2 位置控制流程圖

3. EM253位置控制模塊

EM253位置控制模塊是西門子S7-200的特殊功能位置控制模塊，它能夠產(chǎn)生脈沖串用于步進(jìn)電機(jī)與伺服電機(jī)的速度和位置的開環(huán)控制。

3.1 硬件構(gòu)成

如圖3所示為EM253位置控制原理圖，定義伺服驅(qū)動(dòng)器工作在脈沖+方向模式下。P₀口發(fā)送脈沖，P₁口發(fā)送方向，DIS端硬件使能放大器，并同時(shí)清除放大器錯(cuò)誤。LIM-、LIM+、REF分別為電機(jī)左限位、右限位以及參考點(diǎn)。

圖3 EM253位置控制原理圖

3.2 程序設(shè)計(jì)

EM253位置控制模塊可以通過Step 7-Micro/WIN進(jìn)行向?qū)渲?，配置完成后系統(tǒng)將自動(dòng)生成子程序，編程簡(jiǎn)單、可輕松實(shí)現(xiàn)手動(dòng)、自動(dòng)、軌跡運(yùn)行模式。由于EM253屬于開環(huán)控制，不能很好地反饋電機(jī)實(shí)際運(yùn)動(dòng)情況。因此，利用伺服驅(qū)動(dòng)器本身的差分輸出信號(hào)，通過伺服驅(qū)動(dòng)器軟件設(shè)置，反饋給PLC，實(shí)現(xiàn)閉環(huán)位置控制。但由于直線伺服電動(dòng)缸與PLE可允許發(fā)送接收信號(hào)存在一定差別，因此，需要對(duì)輸入到PLC的信號(hào)進(jìn)行電平的轉(zhuǎn)化以及降低伺服驅(qū)動(dòng)器發(fā)送的反饋脈沖頻率。PLC對(duì)輸入脈沖進(jìn)行累加，從而得到電機(jī)的實(shí)際運(yùn)轉(zhuǎn)位置與運(yùn)轉(zhuǎn)速度，其脈沖計(jì)數(shù)程序如下。

①計(jì)數(shù)器初始化程序
LD      SMO. 1//首次掃描時(shí)
MOVB    16#FC, SMB47
  //SMB47 =16#F4,SMB47為高速計(jì)數(shù)器1的控制字節(jié)
HDEF   1，9
                      //將HSC1配置為正交模式
MOVD   0, SMD48
                    //設(shè)置HSCI的新初始值為0
MOVD   20000，SMD52
                //設(shè)置HSCI的新預(yù)設(shè)值為20 000
HSC    I//激活高速計(jì)數(shù)器I
②脈沖計(jì)數(shù)程序
LD     SMO. 0
MOVD    HC1，VD600
        //將高速計(jì)數(shù)器1所記數(shù)值存儲(chǔ)在VD600中
DTR     VD600, VD610
        // VD601〕中的整數(shù)轉(zhuǎn)化為實(shí)數(shù)，存人VD6100
/R      SOOO,VD610
                  // VD610除以5000存入VD610 ,
            5001〕為電機(jī)旋轉(zhuǎn)一周編碼器發(fā)送脈沖數(shù)
*R      2.54, VD610
                  //VD610乘以2.54存人VD610 ,
                2.54為電機(jī)旋轉(zhuǎn)一周移動(dòng)的距離

4  RS-232串口通信方式

4.1硬件構(gòu)成

西門子CPU22<tXP支持無(wú)協(xié)議通信，即用戶僅需要對(duì)數(shù)據(jù)格式、傳輸速率、起始/停止碼等進(jìn)行簡(jiǎn)單設(shè)定，PLC與外部設(shè)備間就可進(jìn)行直接數(shù)據(jù)發(fā)送與接收的一種通信方式。伺服系統(tǒng)和PLC分別作為系統(tǒng)的主從站。PLC控制器通過該通信功能可實(shí)現(xiàn)對(duì)伺服驅(qū)動(dòng)器進(jìn)行運(yùn)行控制、參數(shù)讀取、伺服驅(qū)動(dòng)器當(dāng)前運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的讀取等操作。

當(dāng)S7-200系列PLC工作在自由口通信模式下時(shí)，一般通過CPU模塊的集成接口進(jìn)行通信。CPU集成接口采用了PPI硬件規(guī)范，其接口為RS-485串口，因此，當(dāng)S7-200系列PLC的CPU與帶有RS-232標(biāo)準(zhǔn)接口的計(jì)算機(jī)或伺服驅(qū)動(dòng)器連接時(shí)，需要配套選用S7-200 PLC的PC/PPI轉(zhuǎn)換電纜或一個(gè)RS-232/RS-485轉(zhuǎn)換器。

4.2  PLC與伺服系統(tǒng)通信

4.2.1 報(bào)文構(gòu)成

S-200 PLC在無(wú)協(xié)議通信方式工作時(shí)，不需要任何通信協(xié)議，通信參數(shù)需要根據(jù)與其進(jìn)行通信的伺服驅(qū)動(dòng)器的通信格式進(jìn)行設(shè)定。本伺服系統(tǒng)選用的Xe-nus伺服驅(qū)動(dòng)器可通過RS-232與PLC利用ASCII碼進(jìn)行通信，其ASCII碼消息命令格式如下：

其中：

4.2.2 程序設(shè)計(jì)

程序設(shè)計(jì)時(shí)，將伺服驅(qū)動(dòng)器工作定義在可編程位置模式。該模式支持實(shí)時(shí)更改伺服電機(jī)的運(yùn)動(dòng)速度、位置，通過RS-232接收來(lái)自PLC的ASCII碼命令，執(zhí)行運(yùn)動(dòng)。部分程序如下：

①初始化程序
LD      SMO. 1                  //首次掃描
MOVB    9, SMB30
                                                           //設(shè)置自由端口0
            通信方式SMB30＝9、8位數(shù)據(jù)位、9600、PPI
MOVB    188, SMB87
      //設(shè)置自由端口。接收信息控制5MB87 =188
MOVB    13，SMB89                       //設(shè)置自由端口0
              結(jié)束字符SMB89=13，即結(jié)束字符=

5 三種控制方式的分析比較

上文分別從硬件結(jié)構(gòu)與軟件編程等方面，詳細(xì)介紹了三種伺服電機(jī)位置控制方式。為了更好地理解這三種方式的差異，我們從軟件與控制結(jié)果的角度作如下分析比較。

①軟件編程

脈沖串輸出方式可以輕松實(shí)現(xiàn)一些簡(jiǎn)單的位置與速度控制，具有硬件要求簡(jiǎn)單、可取代EM253并節(jié)省系統(tǒng)硬件配置等功能。但在編寫較為復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)程序時(shí)(如絕對(duì)運(yùn)動(dòng)需要確定電機(jī)運(yùn)動(dòng)的原點(diǎn)位置)，由于步驟繁瑣，故不能采用該方法加以實(shí)現(xiàn)。

②控制精度

高速脈沖輸出方式和EM253位置控制方式均屬于開環(huán)位置控制，它們只負(fù)責(zé)發(fā)送脈沖，但當(dāng)伺服電機(jī)或伺服驅(qū)動(dòng)器出現(xiàn)故障時(shí)，PLC或EM253都沒得到相應(yīng)的反饋信息，仍然在不斷向外發(fā)送脈沖;而采用通信控制方式則是在每次發(fā)送命令結(jié)束時(shí)，伺服驅(qū)動(dòng)器均會(huì)對(duì)發(fā)送的命令做出應(yīng)答。

③位置控制結(jié)果

伺服電機(jī)的速度等于PLC或EM253的輸出脈沖頻匆電機(jī)每轉(zhuǎn)一圈發(fā)送的脈沖數(shù)，或直接通過RS-232串口發(fā)送ASCII碼控制。由于S7-200系列PLC(除CPU224XP)高速脈沖輸出口的最高頻率為20 kHz,EM253的最高輸出頻率為200 kHz,RS-232串口通信控制方式則是發(fā)送ASCII碼設(shè)定運(yùn)動(dòng)速度。因此，對(duì)于要求高速運(yùn)動(dòng)，或高控制精度的伺服驅(qū)動(dòng)器系統(tǒng)，RS-232串口通信控制方式最優(yōu)，而高速脈沖輸出方式則不能滿足要求。

采用高速脈沖輸出控制和EM253位置控制方式時(shí)，伺服驅(qū)動(dòng)器工作在脈沖+方向模式下，而處于通信控制方式時(shí)，伺服驅(qū)動(dòng)器工作在可編程位置控制模式下。高速脈沖輸出方式不能根據(jù)實(shí)際狀況實(shí)時(shí)更改伺服電機(jī)運(yùn)動(dòng)速度與目標(biāo)位置，EM253位置控制方式只能在手動(dòng)模式下實(shí)時(shí)更改速度，采用通信控制方式時(shí)，當(dāng)伺服驅(qū)動(dòng)器設(shè)置電機(jī)在可編程位置控制模式下運(yùn)動(dòng)時(shí)，可通過RS-232串口發(fā)送ASCII碼命令，實(shí)時(shí)更改速度和目標(biāo)位置。

6結(jié)束語(yǔ)

高速脈沖輸出方式主要應(yīng)用于對(duì)速度及位置控制精度要求均不高的簡(jiǎn)單位置控制中，從而節(jié)省硬件資源。EM253位置控制方式編程簡(jiǎn)單，它支持高速脈沖輸出、支持線性的加減速功能、提供可組態(tài)的測(cè)量系統(tǒng)，可以使用工程單位如毫米，支持絕對(duì)、相對(duì)和手動(dòng)的位控方式，提供連續(xù)操作。RS-232串口通信方式在三種位置控制方式中最具優(yōu)勢(shì)，它支持閉環(huán)控制，可實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)速度、位置等;但由于伺服驅(qū)動(dòng)器型號(hào)的不同，所以并不是所有的伺服驅(qū)動(dòng)器都支持串口通信方式。

在實(shí)際應(yīng)用中，將EM253位置控制方式應(yīng)用于注塑機(jī)注氣系統(tǒng)中，經(jīng)過反復(fù)實(shí)驗(yàn)，可實(shí)現(xiàn)手動(dòng)控制、半自動(dòng)控制、全自動(dòng)控制等三種控制方式，編程簡(jiǎn)單。觸摸屏操作界面簡(jiǎn)潔、操作靈活、工作可靠穩(wěn)定。

經(jīng)過詳細(xì)介紹與分析比較，三種位置控制方式各有優(yōu)缺點(diǎn)，各有其自身所適合的應(yīng)用場(chǎng)合，這為今后類似的位置控制提供了一定的參考價(jià)值。