王鵬

（中電科技集團公司 第39研究所，陜西 西安710065）

對于由伺服電機帶動的旋轉(zhuǎn)物體進行位置控制，通常采用套軸式的電磁旋轉(zhuǎn)變壓器加復雜的處理電路來實現(xiàn)角度的編碼，再由角度編碼進行位置的閉環(huán)控制。上述的位置控制多用于測角精度要求高的場合中，設(shè)備構(gòu)成復雜、成本較高。在某些實際應(yīng)用中，需要進行較為簡單的位置定位。比如在一個由伺服電機帶動的機械機構(gòu)需要在360°的旋轉(zhuǎn)范圍內(nèi)進行4個或多個檔位的定位，實際應(yīng)用中像建筑行業(yè)中控制閥門的大小來對給水量、水泥量、沙石量進行控制或軍工工程控制，這樣的定位控制精度要求不高，采用上述的方法進行位置控制顯然不夠經(jīng)濟，成本過高。

PLC（Programmable Logic Controller）在工業(yè)控制中應(yīng)用廣泛。其高可靠性、高穩(wěn)定性、友好的編程環(huán)境以及輔以觸摸式人機界面，使得各種工業(yè)控制更方便直觀、經(jīng)濟可靠。這里主要闡述了基于S7-200PLC[1]實現(xiàn)位置控制方法。

1 系統(tǒng)硬件設(shè)計

該系統(tǒng)是以PLC控制器為核心的位置控制系統(tǒng)，包含伺服電機、光電編碼器、操作及顯示屏、上位計算機、伺服電機控制電路和狀態(tài)返回電路。其硬件總體結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)硬件總體結(jié)構(gòu)框圖

1.1 S7-200 PLC

該系統(tǒng)設(shè)計核心部件采用西門子S7-200系列的PLC，該系列PLC功能豐富，具有多種功能模塊，可方便通過人機界面對設(shè)備進行操作和監(jiān)視其狀態(tài)，高版本的PLC主機擁有2個通訊端口，在使用人機界面對設(shè)備進行操作的同時還可通過RS-485接口和計算機實現(xiàn)邏輯運算及狀態(tài)管理，對設(shè)備進行遠程控制和監(jiān)視。該系統(tǒng)使用S7-200 PLC的一個重要的功能：高速可逆計數(shù)。光電編碼器和伺服電機同軸連接，伺服電機旋轉(zhuǎn)帶動光電編碼器產(chǎn)生連續(xù)的脈沖串，PLC通過輸入點讀取光電編碼器產(chǎn)生的脈沖，實現(xiàn)高速可逆計數(shù)。例如設(shè)置高、中、低3個給水量檔位并進行控制。在調(diào)試階段應(yīng)先驅(qū)動伺服電機進行3個給水量的位置標定，也就是說，高、中、低3個檔位分別對應(yīng)唯一的脈沖數(shù)。應(yīng)該注意的是，由于采用的是增量式光電編碼器，也就是說，當編碼器掉電后并不能將當前的脈沖數(shù)保存。所以在旋轉(zhuǎn)機構(gòu)上還要設(shè)置2個限位開關(guān)，一來保護機械結(jié)構(gòu)；二來把逆向的限位開關(guān)的位置定為零位，這樣相對于這個零位的高、中、低3個給水檔位從光電編碼器讀到的脈沖數(shù)即為這3個檔位的位置。這3個位置可通過PLC編程對其控制。圖2給出S7-200 PLC高速可逆計數(shù)器的時序圖。

圖2 S7-200 PLC高速計數(shù)器時序圖

1.2 光電編碼器

光電編碼器，是一種通過光電轉(zhuǎn)換將輸出軸上的機械幾何位移量轉(zhuǎn)換成脈沖或數(shù)字量的傳感器。這是目前應(yīng)用最多的傳感器，光電編碼器是由光柵盤和光電檢測裝置組成。光柵盤是在一定直徑的圓板上等分地開通若干個長方形孔。由于光電碼盤與電動機同軸，電動機旋轉(zhuǎn)時，光柵盤與電動機同速旋轉(zhuǎn)，經(jīng)發(fā)光二極管等電子元件組成的檢測裝置檢測輸出若干脈沖信號，此外，為判斷旋轉(zhuǎn)方向，碼盤還可提供相位相差90°的兩路脈沖信號。圖3為在實際項目中采用光電編碼器的時序圖，從圖中可以看出此光電編碼器的相位判斷角度為90°±45°；另外圖中標識的CW（順時針）和CCW（逆時針）可以根據(jù)實際應(yīng)用在PLC程序中自行定義。圖4為在實際項目中采用光電編碼器的內(nèi)部電路和外部引線圖。

圖3 光電編碼器時序圖

圖4 光電碼盤的內(nèi)部電路和外部引線

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計

2.1 設(shè)計要點

該系統(tǒng)軟件設(shè)計的重點為：1）準確配置高速計數(shù)器；2）位置控制器的允差設(shè)計，允差的選擇應(yīng)盡量小以提高伺服系統(tǒng)的控制精度，在滿足系統(tǒng)定位精度的前提下，允差的設(shè)計上還需要考慮于機械結(jié)構(gòu)定位的分辨率，以免設(shè)置值過小機械結(jié)構(gòu)控制不到位而引起驅(qū)動電機反復轉(zhuǎn)動調(diào)節(jié)，往往需要現(xiàn)場標定；3）初始位置的精確標定，需要注意的是初次標定各檔位位置時應(yīng)使用手動控制方式，并且要將機械限位開關(guān)狀態(tài)接入PLC。由于采用增量式光電編碼器，計數(shù)器當前值要存在PLC的掉電可保存寄存器MD14中。

2.2 程序設(shè)計

在程序中首先需要將高速計數(shù)器配置為A/B相正交輸入，4倍計數(shù)速率，增計數(shù)，并使能高速計數(shù)器[2]，然后將標定好的各檔位位置填入相應(yīng)的地址中，并且設(shè)置允差為兩個脈沖，也就是說各檔位的脈沖數(shù)加減2即為相應(yīng)的到位。伺服系統(tǒng)傳動裝置的間隙是多樣性的，并且對伺服控制的性能有影響，設(shè)置允差的目的是為了消除由于伺服傳動間隙引起的系統(tǒng)不穩(wěn)定，從而準確定位[3-5]。位置定位程序的流程如圖5所示。

圖5 位置定位允差控制的程序流程

在程序設(shè)計時除順、逆限位和順轉(zhuǎn)、逆轉(zhuǎn)的互鎖程序外，重點在于如何用PLC實現(xiàn)多點重復定位。主要設(shè)計程序如下：

3 工程應(yīng)用情況

這種設(shè)計方法被利用在某軍用雷達工程的衰減器控制的4位置定位系統(tǒng)中，系統(tǒng)要求驅(qū)動機械部件在0°～360°內(nèi)的4個位置往返定位，定位精度要求0.1°。在具體的設(shè)計中驅(qū)動電機選用型號為55TYD02的交流電機，編碼機構(gòu)選用型號為OMRON E6B2的相對式光電碼盤。位置的行程范圍360°對應(yīng)于8 400個脈沖，則使用S7－200 PLC高速計數(shù)器讀入的位置分辨率為360°/8 400=0.043°；根據(jù)機械結(jié)構(gòu)實際標定位置允差值設(shè)置為2個脈沖，此定位系統(tǒng)的控制精度可達到0.86°，滿足系統(tǒng)定位精度0.1°的要求，電機正向或反向運轉(zhuǎn)一次到位，快速準確。

4 結(jié)束語

PLC適用于比較惡劣的工業(yè)環(huán)境，通過其通訊口和上位計算機實現(xiàn)通訊[6]，可以使操作人員在安全的環(huán)境下實現(xiàn)遠程控制；光電編碼器構(gòu)造原理簡單，機械壽命可達幾萬小時以上，抗干擾能力強。由兩者為核心構(gòu)成的硬件電路實現(xiàn)位置控制方法適用于具有多個設(shè)置點重復定位的機械旋轉(zhuǎn)控制設(shè)備，完全滿足一般的工業(yè)控制要求。這種設(shè)計原理清晰、硬件需求明確、易于實現(xiàn)、調(diào)試維護方便，具有很好實用和適用性。上述的位置控制方法已經(jīng)應(yīng)用于某軍用雷達工程的衰減器控制中，其控制精度可達到0.86°，滿足系統(tǒng)定位精度0.1°的要求，設(shè)備運行穩(wěn)定可靠，效果良好。

[1]SIEMENS.深入淺出西門子S7－200 PLC[M].北京：北京航空航天大學出版社，2005.

[2]SIEMENS.西門子S7－200系統(tǒng)手冊[Z].蘇州：西門子（中國）有限公司，2003.

[3]張莉松，胡佑德，徐立新.伺服系統(tǒng)原理與設(shè)計[M].北京：北京理工大學出版社，2006.

[4]爾桂花，竇日軒.運動控制系統(tǒng)[M].北京：清華大學出版社，2002.

[5]唐永哲.電力傳動自動控制系統(tǒng)[M].西安：西安電子科技大學出版社，1997.

[6]常健生.檢測與轉(zhuǎn)換技術(shù)[M].北京：機械工業(yè)出版社，1983.