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(jī)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(yùn)用與研究也逐步增多，由于伺服控制系統(tǒng)是當(dāng)前機(jī)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(jī)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(dá)到可逐漸代替直流伺服控制系統(tǒng)的程度，被越來(lái)越多的國(guó)內(nèi)外學(xué)者研究并開(kāi)發(fā)利用，該技術(shù)主要運(yùn)用于雷達(dá)、機(jī)器人、火炮及數(shù)控機(jī)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(jiǎn)單，但其在交流伺服控制系統(tǒng)的參數(shù)發(fā)生改變時(shí)、交流電動(dòng)機(jī)或被控制對(duì)象具備較高的非線性特點(diǎn)時(shí)或交流伺服控制系統(tǒng)遭受不同負(fù)載干擾時(shí)等狀況下控制效果較低，且精度差，響應(yīng)效率低下，無(wú)法達(dá)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(mén)子公司所研發(fā)的高性?xún)r(jià)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(diǎn)，CPU模塊能夠支持多種輸出方式和運(yùn)動(dòng)模式，控制性能優(yōu)越，便于固件升級(jí)與程序更新，運(yùn)用范圍較廣[5-6]。

因此本文設(shè)計(jì)基于S7-200Smart PLC的高性能交流伺服控制系統(tǒng)，提升當(dāng)前機(jī)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(jì)

1.1 系統(tǒng)構(gòu)成及原理

由光電傳感器、西門(mén)子系統(tǒng)S7-200Smart PLC、伺服驅(qū)動(dòng)器、編碼器、伺服電機(jī)、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(dòng)器，并通過(guò)與電子觸摸屏的交互實(shí)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(duì)輸入信號(hào)實(shí)行檢測(cè)，如果檢測(cè)到有信號(hào)輸入，則將任務(wù)傳輸?shù)絇LC，通過(guò)編碼器編寫(xiě)PLC程序后，采用觸摸屏控制將編寫(xiě)好的PLC程序?qū)?yīng)傳輸?shù)剿欧?qū)動(dòng)器，由伺服驅(qū)動(dòng)器執(zhí)行尋原點(diǎn)操作，從初始位置向檢測(cè)裝置移動(dòng)，并在伺服驅(qū)動(dòng)下執(zhí)行對(duì)應(yīng)任務(wù)，執(zhí)行結(jié)束后伺服驅(qū)動(dòng)器回到初始位置，待下次PLC傳輸任務(wù)時(shí)，繼續(xù)以上述步驟循環(huán)執(zhí)行不同任務(wù)，實(shí)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(jì)

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(dòng)器的中間裝置，屬于一種工業(yè)計(jì)算機(jī)，其特征為操作簡(jiǎn)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(shí)、順位控制、計(jì)數(shù)及邏輯等功能，實(shí)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(hào)的類(lèi)別、控制需求及數(shù)量為依據(jù)，并按照I/O點(diǎn)數(shù)20%～30%的備用量原則，選取CPU型號(hào)為ST50、具備的數(shù)字輸入點(diǎn)與輸出點(diǎn)分別為36個(gè)和24個(gè)的西門(mén)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(hào)接線的主要目的。數(shù)字量輸入均為24 V直流信號(hào)，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(hào)相對(duì)應(yīng)的類(lèi)型[9-10]。對(duì)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(diǎn)均通用同一個(gè)公共端，故所選用的傳感器應(yīng)為同一類(lèi)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(dòng)器

伺服驅(qū)動(dòng)器采用富士UG221H-SR4，其接口包括：編碼器信號(hào)連接器CN2、主電源控制電源輸入連接器CNA、伺服電機(jī)動(dòng)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(shí)具備濾波與保護(hù)電路[12]；伺服電機(jī)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(jī)的控制通過(guò)連接上位控制器(S7-200Smart PLC)與CN1接口實(shí)現(xiàn)。伺服驅(qū)動(dòng)器電路連接情況,如圖3所示。

圖3 伺服驅(qū)動(dòng)器電路圖

設(shè)定位置控制模式為伺服驅(qū)動(dòng)器的運(yùn)行模式，伺服電機(jī)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(dòng)器上位控制器的S7-200Smart PLC，其CPU ST50模塊的三個(gè)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(tái)伺服驅(qū)動(dòng)器的CN1-28引腳接入，向驅(qū)動(dòng)器CN1-26引腳接入方向控制信號(hào)P2、P7、P10。向PLC的B0端子接入零點(diǎn)定位行程開(kāi)關(guān)SQ1，向PLC的B1和B2端子依次接入電機(jī)正反轉(zhuǎn)行程限位開(kāi)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(jī)編碼器的反饋位移量通過(guò)PLC的急速計(jì)數(shù)器HSC9計(jì)算，形成閉環(huán)控制系統(tǒng)，PLC與伺服驅(qū)動(dòng)器連接電路圖,如圖4所示。

圖4 PLC與伺服驅(qū)動(dòng)器連接電路圖

因伺服驅(qū)動(dòng)的控制信號(hào)為+5 V，而系統(tǒng)所采用的PLC輸出信號(hào)為+24 V，故應(yīng)串聯(lián)一只2 kΩ的電阻在伺服驅(qū)動(dòng)器與PLC之間，令輸入信號(hào)近似+5 V，達(dá)到分壓效果。同時(shí)因?yàn)橄到y(tǒng)PLC選擇NPN型傳感器連接，所以伺服驅(qū)動(dòng)器與PLC間需以共地連接的方式實(shí)現(xiàn)回路。

1.3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

1.3.1 PLC程序設(shè)計(jì)

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(jiǎn)便的解決方式實(shí)現(xiàn)伺服電機(jī)的位置與速度控制，能夠達(dá)到小型機(jī)械裝置的準(zhǔn)確定位要求[14]。

(1) PLC程序編寫(xiě)

PLC控制器在實(shí)現(xiàn)外部接線后，可對(duì)其實(shí)行編程調(diào)試。本文系統(tǒng)的控制方式有自動(dòng)與手動(dòng)控制兩種，其中在檢測(cè)單獨(dú)設(shè)備性能時(shí)更多應(yīng)用手動(dòng)控制，且通過(guò)在系統(tǒng)程序中設(shè)定聯(lián)鎖保護(hù)，防止手動(dòng)控制時(shí)產(chǎn)生碰撞等事故；自動(dòng)控制能夠劃分系統(tǒng)為伺服運(yùn)行程序模塊、主程序模塊、手動(dòng)控制模塊及次程序模塊，并依次對(duì)不同模塊的運(yùn)行動(dòng)態(tài)程序進(jìn)行編寫(xiě)，在主程序塊內(nèi)體現(xiàn)出聯(lián)鎖關(guān)系[15-16]。編寫(xiě)時(shí)應(yīng)特別留意的是運(yùn)作時(shí)若出現(xiàn)急停等設(shè)備報(bào)警現(xiàn)象時(shí)，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(wèn)題。

(2) PLC主程序

在PLC主程序中調(diào)用手動(dòng)控制模塊MAN、驅(qū)動(dòng)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(jī)無(wú)法常規(guī)運(yùn)行[17]；電機(jī)的運(yùn)行方向與速度分別通過(guò)手動(dòng)控制模塊內(nèi)的Dir與Speed控制，程序編寫(xiě)時(shí)僅需通過(guò)MOV命令設(shè)定各個(gè)時(shí)刻的各種方向信號(hào)與速度值，系統(tǒng)需以800個(gè)脈沖實(shí)現(xiàn)伺服電機(jī)一周的旋轉(zhuǎn)，在系統(tǒng)開(kāi)啟時(shí)伺服電機(jī)的運(yùn)行速度為4圈/秒，也就是3 200個(gè)脈沖/秒，故在此設(shè)定VD116為3200。

1.3.2 軟件編程設(shè)計(jì)

系統(tǒng)通過(guò)順位控制設(shè)計(jì)方式單獨(dú)設(shè)計(jì)一個(gè)子程序，同時(shí)向另一個(gè)子程序內(nèi)單獨(dú)放入伺服控制的對(duì)應(yīng)程序塊，系統(tǒng)軟件功能模塊包括初始化運(yùn)動(dòng)軸功能塊、運(yùn)動(dòng)軸移動(dòng)功能塊、啟用功能塊及找尋參考點(diǎn)功能塊等。詳細(xì)程序流程,如圖6所示。

圖6 詳細(xì)程序流程圖

可以看出完成系統(tǒng)初始化后，通過(guò)光電傳感器檢測(cè)到信號(hào)后，調(diào)用伺服運(yùn)行控制子程序，并在伺服控制初始化后自動(dòng)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(dòng)伺服電機(jī)執(zhí)行對(duì)應(yīng)的控制任務(wù)。

基于以上流程，進(jìn)行詳細(xì)程序的關(guān)鍵代碼設(shè)計(jì)，如圖7所示。

圖7 詳細(xì)程序的關(guān)鍵代碼設(shè)計(jì)

2 仿真實(shí)驗(yàn)分析

為檢驗(yàn)本文系統(tǒng)的合理性及性能，通過(guò)Matlab軟件創(chuàng)建本文系統(tǒng)的仿真系統(tǒng)，隨機(jī)選取一臺(tái)伺服電機(jī)作為實(shí)驗(yàn)對(duì)象，并采用本文系統(tǒng)對(duì)此實(shí)驗(yàn)伺服電機(jī)進(jìn)行控制，測(cè)試控制過(guò)程中本文系統(tǒng)的控制效果，實(shí)驗(yàn)伺服電機(jī)參數(shù)如表1所示。

表1 實(shí)驗(yàn)伺服電機(jī)參數(shù)

設(shè)定本文系統(tǒng)的位置命令參考值為4 rad，通過(guò)本文系統(tǒng)控制實(shí)驗(yàn)伺服電機(jī)，檢驗(yàn)控制過(guò)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(guò)圖8能夠看出，本文系統(tǒng)的整個(gè)運(yùn)行過(guò)程為前高速后低速的過(guò)程，同時(shí)前后高低速度過(guò)渡時(shí)平緩無(wú)振蕩，應(yīng)對(duì)位置命令時(shí)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(shuō)明，本文系統(tǒng)響應(yīng)能力好、性能優(yōu)越。

分別通過(guò)本文系統(tǒng)和PI控制系統(tǒng)控制實(shí)驗(yàn)電機(jī)，在控制時(shí)間到達(dá)0.3 s時(shí)，突然向?qū)嶒?yàn)電機(jī)增加額定負(fù)載，得出不同系統(tǒng)控制下實(shí)驗(yàn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速與標(biāo)準(zhǔn)伺服電機(jī)轉(zhuǎn)速的對(duì)比情況，進(jìn)一步檢驗(yàn)本文系統(tǒng)的控制性能，如圖9所示。

圖9 電機(jī)轉(zhuǎn)速對(duì)比情況

通過(guò)分析圖9可得出，在突然向?qū)嶒?yàn)伺服電機(jī)增加額定負(fù)載的情況下，通過(guò)本文系統(tǒng)控制后其轉(zhuǎn)速依然能夠與伺服電機(jī)的標(biāo)準(zhǔn)轉(zhuǎn)速保持一致，說(shuō)明本文系統(tǒng)的控制準(zhǔn)確性好，且具備較強(qiáng)的抗擾動(dòng)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(duì)實(shí)驗(yàn)伺服電機(jī)實(shí)行控制，設(shè)置控制時(shí)所期望的位置信號(hào)為0.3 rad，并在控制達(dá)到0.03 s時(shí)向?qū)嶒?yàn)電機(jī)突然施加0.6 Nm的負(fù)載，對(duì)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(guò)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(hào)響應(yīng)速率高且未出現(xiàn)超調(diào)，說(shuō)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(jì)基于S7-200Smart PLC的高性能交流伺服控制系統(tǒng)，因西門(mén)子S7-200Smart PLC具有體型小、處理效率高等優(yōu)點(diǎn)，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(yùn)動(dòng)模式及輸出方式，可達(dá)到理想的控制效果，故采用西門(mén)子S7-200Smart PLC作為本文系統(tǒng)的中間控制裝置。通過(guò)仿真實(shí)驗(yàn)檢測(cè)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(lái)的研究中會(huì)繼續(xù)對(duì)本文系統(tǒng)進(jìn)行驗(yàn)證，通過(guò)將本文系統(tǒng)應(yīng)用于機(jī)械系統(tǒng)中，進(jìn)一步提升本文系統(tǒng)的實(shí)際控制效果。