王曉瑜

(西安航空學(xué)院 電子工程學(xué)院，西安 710077)

伺服系統(tǒng)是一種將位置、速度、轉(zhuǎn)矩作為控制量，實(shí)時(shí)跟蹤監(jiān)控目標(biāo)并做出相應(yīng)的動(dòng)作，從而實(shí)現(xiàn)精確控制被控量的自動(dòng)控制系統(tǒng)，也稱隨動(dòng)系統(tǒng)。目前在微小自動(dòng)控制系統(tǒng)中的邏輯控制及工藝生產(chǎn)過程中的運(yùn)動(dòng)控制應(yīng)用廣泛，如機(jī)械加工行業(yè)的自動(dòng)車床、包裝產(chǎn)線上的裝箱機(jī)、食品和醫(yī)藥等行業(yè)的自動(dòng)貼標(biāo)機(jī)、物流行業(yè)的碼垛機(jī)等。

本文使用西門子S7-200 SMART 系列PLC、臺(tái)達(dá)ASDA 伺服電機(jī)及驅(qū)動(dòng)器、編碼器和滾珠絲杠機(jī)構(gòu)等構(gòu)成閉環(huán)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)，人機(jī)界面HMI SMART 700 IE V3 作為上位機(jī)監(jiān)控設(shè)備；結(jié)合PLC 編程軟件STEP 7-MicroWIN SMART，組態(tài)軟件WinCC flexible SMART V3，共同實(shí)現(xiàn)基于PLC 與HMI 的伺服電機(jī)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)。測(cè)試結(jié)果表明，本方法可有效實(shí)現(xiàn)伺服系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)控制，系統(tǒng)運(yùn)行可靠，易于操作，控制精度高。

1 系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)

整個(gè)系統(tǒng)分為硬件設(shè)計(jì)、PLC 程序設(shè)計(jì)、HMI與PLC 通訊、系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)調(diào)試共4 部分。

總體設(shè)計(jì)方案如圖1所示。硬件方面，主控制器選用S7-200 SMART CPU ST30 PLC，發(fā)送脈沖指令作為臺(tái)達(dá)伺服驅(qū)動(dòng)器（ASDA-B2-0121-B）的輸入信號(hào)；通過伺服驅(qū)動(dòng)器實(shí)現(xiàn)控制伺服電機(jī)（ASDAB2）的旋轉(zhuǎn)速度和驅(qū)動(dòng)絲桿滑臺(tái)的移動(dòng)位置[1]。軟件設(shè)計(jì)方面，使用STEP 7-MicroWIN SMART 進(jìn)行PLC源程序的編寫與調(diào)試； 通過上位機(jī)HMI SMART 700 IE V3 及WinCC flexible SMART V3 軟件，完成組態(tài)畫面的設(shè)置，實(shí)現(xiàn)對(duì)伺服電機(jī)向前/后點(diǎn)動(dòng)、向前/后連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)、相對(duì)/絕對(duì)位置的精確控制以及自動(dòng)查找參考點(diǎn)等操作[2-3]。

圖1 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Control system structure diagram

如圖1所示，伺服電機(jī)控制系統(tǒng)包括HMI、PLC、伺服驅(qū)動(dòng)器、帶有反饋裝置的伺服電機(jī)和絲杠滑臺(tái)。HMI 給PLC 提供位置脈沖設(shè)定信號(hào)和速度設(shè)定信號(hào)，實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)的運(yùn)行，PLC 將低壓控制信號(hào)發(fā)送到伺服驅(qū)動(dòng)器，然后伺服驅(qū)動(dòng)器將這些信號(hào)進(jìn)行功率放大供伺服電機(jī)使用；旋轉(zhuǎn)編碼器采集電脈沖信號(hào)作為速度反饋和位置脈沖反饋發(fā)送回伺服驅(qū)動(dòng)器，伺服驅(qū)動(dòng)器根據(jù)反饋值與目標(biāo)值進(jìn)行比較，形成閉環(huán)控制，達(dá)到精確調(diào)整伺服電機(jī)所在位置和運(yùn)行速度的控制目的。

2 硬件組態(tài)

2.1 伺服驅(qū)動(dòng)器

臺(tái)達(dá)（ASDA-B2-0121-B）伺服驅(qū)動(dòng)器由LED 顯示界面、按鈕操作、控制連接器接口CN1、編碼器連接器接口CN2、RS485&RS232 連接器接口CN3、控制回路和主控制回路電源、伺服電機(jī)輸出、內(nèi)外部回生電阻及接地端口組成。CN1 主要引腳功能如表1所示。

表1 CN1 針口功能Tab.1 CN1 needle port function

2.2 伺服驅(qū)動(dòng)器相關(guān)參數(shù)設(shè)置

伺服驅(qū)動(dòng)器一般通過位置、速度和力矩3 種方式對(duì)伺服電機(jī)進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)高精度的傳動(dòng)系統(tǒng)定位，此處選用位置式的脈沖輸入方式[4]。

2.2.1 電子齒輪比計(jì)算

在設(shè)置伺服驅(qū)動(dòng)器的具體參數(shù)之前，首先要計(jì)算該伺服系統(tǒng)的電子齒輪比，然后才能設(shè)置伺服驅(qū)動(dòng)器上的相關(guān)參數(shù)。電子齒輪比是匹配伺服電機(jī)脈沖數(shù)與機(jī)械的最小移動(dòng)量，計(jì)算公式如式（1）所示：

式中：編碼器反饋脈沖數(shù)為160000，伺服電機(jī)指令脈沖數(shù)為10000。

2.2.2 伺服驅(qū)動(dòng)器參數(shù)設(shè)置

（1）選擇外部脈沖輸入型式為正轉(zhuǎn)脈沖列及逆轉(zhuǎn)脈沖列，設(shè)定參數(shù)P1-00 為02；

（2）伺服控制系統(tǒng)采用的是位置控制模式，設(shè)定參數(shù)P1-01 為00；

（3）開啟扭矩限制功能確保系統(tǒng)運(yùn)行安全穩(wěn)定，設(shè)定參數(shù)P1-02 為10；

（4）根據(jù)計(jì)算所得電子齒輪比16，將電子齒輪比分子參數(shù)P1-44 設(shè)定為160，分母參數(shù)P1-45 設(shè)定為10。

2.3 PLC 與HMI 選型

PLC 選用西門子S7-200 SMART CPU ST30 晶體管輸出型（16 輸入/10 輸出），HMI 選用西門子SMART 700 IE V3 作為上位機(jī)監(jiān)控設(shè)備。

2.4 滾珠絲杠機(jī)構(gòu)

在整機(jī)控制系統(tǒng)中，伺服電機(jī)的向前/后點(diǎn)動(dòng)、向前/后連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)、相對(duì)/絕對(duì)位置的精確控制以及自動(dòng)查找參考點(diǎn)等功能由滾珠絲杠機(jī)構(gòu)體現(xiàn)，滾珠絲桿螺距為8 mm，絲杠長(zhǎng)度為250 mm[4-5]。

2.5 系統(tǒng)硬件接線圖

系統(tǒng)硬件接線圖如圖2所示，伺服驅(qū)動(dòng)器主電源端子和控制電源端子接單相AC 220 V 電源。CN1接口和S7-200 SMART CPU ST30 PLC 相連，PLC的高速計(jì)數(shù)器HSC 對(duì)伺服電機(jī)編碼器的反饋位移量進(jìn)行計(jì)數(shù)，CN2 接口和AB 相增量式編碼器相連，構(gòu)成伺服電機(jī)對(duì)絲杠滑臺(tái)位置的閉環(huán)控制。伺服驅(qū)動(dòng)器和伺服電機(jī)通過專用電纜連接。觸摸屏HMI 則設(shè)置相關(guān)參數(shù)發(fā)送給PLC 并監(jiān)視整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)人界交互。

圖2 系統(tǒng)硬件接線圖Fig.2 System hardware wiring diagram

3 軟件設(shè)計(jì)

高速脈沖PTO 位置控制流程如圖3所示。啟用高速計(jì)數(shù)器HSC，進(jìn)行輸出脈沖實(shí)時(shí)計(jì)數(shù)和定位，實(shí)現(xiàn)伺服電機(jī)的運(yùn)動(dòng)控制。系統(tǒng)運(yùn)行初始，設(shè)定參考點(diǎn)為原點(diǎn)，HSC 清零； 設(shè)定好伺服電機(jī)轉(zhuǎn)速及運(yùn)動(dòng)方向，伺服電機(jī)開始運(yùn)行，當(dāng)接近設(shè)定位置時(shí)，伺服電機(jī)自動(dòng)減速，若非首次運(yùn)行則其繼續(xù)運(yùn)動(dòng)到設(shè)定位置后停止運(yùn)行。

圖3 系統(tǒng)控制流程Fig.3 System control flow chart

3.1 S7-200 SMART 運(yùn)動(dòng)控制指令設(shè)置

3.1.1 運(yùn)動(dòng)控制向?qū)гO(shè)置

在運(yùn)動(dòng)控制向?qū)е写蜷_運(yùn)動(dòng)控制設(shè)置界面，選擇要組態(tài)的“軸0”；測(cè)量系統(tǒng)設(shè)置選擇“相對(duì)脈沖”，方向控制中因此處為源性輸出，故相位選擇雙相（2輸出），極性為負(fù)；正向運(yùn)動(dòng)行程極限LMT+中輸入為I0.0，響應(yīng)為減速停止；反向運(yùn)動(dòng)行程極限LMT-中輸入為I0.1，響應(yīng)為減速停止；原點(diǎn)信號(hào)RPS 輸入為I0.2；零點(diǎn)信號(hào)ZP 輸入為HSC3（I0.3）；停止信號(hào)STP 輸入為I0.4； 曲線中停止信號(hào)TRIG 輸入為I0.5；使能輸出DIS 輸出為Q0.4；然后完成軸的其他內(nèi)容設(shè)定，如圖4所示。現(xiàn)列舉電機(jī)點(diǎn)動(dòng)速度設(shè)置，如圖5所示。

圖4 運(yùn)動(dòng)控制向?qū)гO(shè)定Fig.4 Motion control wizard settings

圖5 伺服電機(jī)點(diǎn)動(dòng)速度設(shè)置Fig.5 Servo motor point speed setting

3.1.2 運(yùn)動(dòng)控制子例程說明

運(yùn)動(dòng)控制向?qū)гO(shè)置完會(huì)自動(dòng)生成子函數(shù)，可以根據(jù)需要進(jìn)行選擇，此處全選，如圖6所示。

圖6 組件生成Fig.6 Components generated

3.2 控制系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)

程序由主程序和運(yùn)動(dòng)控制指令向?qū)傻淖映绦蚪M成。主程序主要完成生成運(yùn)動(dòng)控制子程序的調(diào)用；運(yùn)動(dòng)控制子程序?qū)λM態(tài)的運(yùn)動(dòng)軸進(jìn)行啟用和初始化，實(shí)現(xiàn)軸的自動(dòng)搜索參考點(diǎn)、點(diǎn)動(dòng)、正反轉(zhuǎn)運(yùn)行、相對(duì)定位控制與絕對(duì)定位控制等操作?，F(xiàn)列舉軸的查找參考點(diǎn)運(yùn)行控制程序，如圖7所示。

圖7 查找參考點(diǎn)程序Fig.7 Find the reference point program

4 HMI 與PLC 通訊

4.1 HMI 與PLC 通訊調(diào)試

選用西門子SMART LINE IV V3 觸摸屏，通過WINCC flexible SMART V3 組態(tài)軟件進(jìn)行組態(tài)編程，選擇以太網(wǎng)通訊。

創(chuàng)建項(xiàng)目，連接1 選擇SIMATIC S7-200 SMART驅(qū)動(dòng)，IP 地址與觸摸屏地址均為192.168.1.246，PLC S7-200 SMART CPU ST30 的IP 地址改為192.168.1.10。

設(shè)備上電后將繪制好的組態(tài)界面?zhèn)魉偷紿MI，完成PLC 控制程序并下載；兩個(gè)設(shè)備的以太網(wǎng)通訊接口接入網(wǎng)線，當(dāng)HMI 上的I/O 域由“#####”變成“00000”；表明通訊成功[6]。

4.2 HMI 組態(tài)畫面與硬件調(diào)試

首先進(jìn)行組態(tài)系統(tǒng)的仿真測(cè)試，測(cè)試無誤后連接HMI 和PLC；其次分別操作組態(tài)畫面上的I/O 域以及按鈕開關(guān)等相關(guān)設(shè)備，觀察PLC 相應(yīng)的輸出LED 燈是否點(diǎn)亮，若可以則證明無問題；最后設(shè)置脈沖位置和運(yùn)行速度的I/O 域數(shù)據(jù)，注意設(shè)定組態(tài)軟件中對(duì)應(yīng)的I/O 域數(shù)據(jù)類型必須為REAL 型[7]。

5 實(shí)驗(yàn)測(cè)試

系統(tǒng)總體布局如圖8所示。首先通過HMI 進(jìn)入登陸界面輸入用戶名及密碼進(jìn)行登陸操作，選擇操作系統(tǒng)為伺服控制系統(tǒng)，進(jìn)入操作界面分別點(diǎn)擊正轉(zhuǎn)點(diǎn)動(dòng)運(yùn)行以及反轉(zhuǎn)點(diǎn)動(dòng)運(yùn)行，對(duì)伺服電機(jī)進(jìn)行試操作確保設(shè)備正常運(yùn)行；其次，點(diǎn)擊查找參考點(diǎn)讓絲桿滑臺(tái)自動(dòng)搜尋原點(diǎn)位置，然后多次改變位置設(shè)定重復(fù)絕對(duì)定位操作，確保伺服系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)絕對(duì)位置的精確控制；再次，改變脈沖位置及運(yùn)行速度，然后點(diǎn)擊相對(duì)定位按鈕進(jìn)行調(diào)整測(cè)試，確保絲桿滑臺(tái)能夠以當(dāng)前位置為原點(diǎn)運(yùn)行實(shí)現(xiàn)相對(duì)定位的精確控制。經(jīng)過多次調(diào)整測(cè)試，系統(tǒng)自動(dòng)搜尋參考點(diǎn)位置、相對(duì)定位控制和絕對(duì)位置控制等操作均能滿足精確控制要求。

圖8 系統(tǒng)總體布局圖Fig.8 Overall system layout diagram

6 結(jié)語

本系統(tǒng)通過西門子SMART 700 IE V3 HMI和S7-200 SMART CPU ST30 PLC 實(shí)現(xiàn)了對(duì)伺服電機(jī)聯(lián)動(dòng)控制系統(tǒng)中的應(yīng)用。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，通過HMI 完成伺服電機(jī)聯(lián)動(dòng)控制系統(tǒng)自動(dòng)查找原點(diǎn)位置、點(diǎn)動(dòng)、正反轉(zhuǎn)運(yùn)行、相對(duì)定位和絕對(duì)定位等操作，實(shí)現(xiàn)對(duì)該系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)的監(jiān)控，設(shè)計(jì)合理，運(yùn)行可靠，控制精度高，有效達(dá)到設(shè)計(jì)目的。