PLC控制伺服電機應用實例

PLC 控制伺服電機應用實例 寫出組成整個系統(tǒng)的 PLC 模塊及外圍器件 并附相關程序 PLC 品牌不限 以松下 FP1 系列 PLC 和 A4 系列伺服驅動為例 編制控制伺服電機定長正 反旋轉的 PLC 程序并設計外 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 程序中設定伺服電機旋轉速度 單位為 rpm 設伺服電機設定為 1000 個脈沖轉一圈 PLC 輸出脈沖 頻率 速度設定值 6 100 HZ 假設該伺服系統(tǒng)的驅動直線定位精度為 0 1mm 伺服電機每轉一 圈滾珠絲杠副移動 10mm 伺服電機轉一圈需要的脈沖數(shù)為 1000 故該系統(tǒng)的脈沖當量或者說驅動分辨 率為 0 01mm 一個絲 PLC 輸出脈沖數(shù) 長度設定值 10 以上的結論是在伺服電機參數(shù)設定完的基礎上得出的 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定好伺服電機的電子齒輪比 大致過程如下 機械機構確定后 伺服電機轉動一圈的行走長度已經(jīng)固定 如上面所說的 10mm 設計要求的定位精度 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 如設定一個脈 沖的行走長度為如上所述的 0 01mm 于是電機轉一圈所需要脈沖數(shù)即為 1000 個脈沖 此種設定當電機 速度要求為 1200 轉 分時 PLC 應該發(fā)出的脈沖頻率為 20K 松下 FP1 40T 的 PLC 的 CPU 本體可以 發(fā)脈沖頻率為 50KHz 完全可以滿足要求 如果電機轉動一圈為 100mm 設定一個脈沖行走仍然是 0 01mm 電機轉一圈所需要脈沖數(shù)即為 10000 個脈沖 電機速度為 1200 轉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)的算法就只需應用 PLC 的相應脈沖指令發(fā)出脈沖即可實現(xiàn)控制了 假設使用松下 A4 伺服 其工作在位置模式 伺服電機參數(shù)設置與接線方式如下 一 按照伺服電機驅動器說明書上的 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 當此端子接收信號變化時 伺服電機的運轉方向改變 實際運轉方向由伺服電機驅動器的 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)準備好 接收脈沖即可以運轉 上面所述的六根線連接完畢 電源 編碼器 電機線當然不能忘 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 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 構成更完善的控制系統(tǒng) 二 設置伺服電機驅動器的參數(shù) 1 Pr02 控制模式選擇 設定 Pr02 參數(shù)為 0 或是 3 或是 4 3 與 4 的區(qū)別在于當 32 C MODE 端子 為短路時 控制模式相應變?yōu)樗俣饶Ｊ交蚴寝D矩模式 而設為 0 則只為位置控制模式 如果您只要求位 置控制的話 Pr02 設定為 0 或是 3 或是 4 是一樣的 2 Pr10 Pr11 Pr12 增益與積分調整 在運行中根據(jù)伺服電機的運行情況相應調整 達到伺服電機運 行平穩(wěn) 當然其他的參數(shù)也需要調整 Pr13 Pr14 Pr15 Pr16 Pr20 也是很重要的參數(shù) 在您不太熟悉前 只調整這三個參數(shù)也可以滿足基本的要求 3 Pr40 指令脈沖輸入選擇 默認為光耦輸入 設為 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方向 Pr41 設為 0 時 Pr42 設為 3 則 5 SIGN1 6 SIGN2 導通時為正方向 CCW 反之為反方向 CW Pr41 設為 1 時 Pr42 設為 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 說法應該為 CCW CW 5 Pr48 Pr4A Pr4B 電子齒輪比設定 此為重要參數(shù) 其作用就是控制電機的運轉速度與控制器 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 r 5 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 伺服電機轉一圈需要 2000 個脈沖 每轉一圈所需脈沖確定了 脈沖頻率與伺服電 機的速度的關系也就確定了 三個參數(shù)可以設定為 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 FP1 40 T 型 PLC 的程序梯型圖如下 S7 200 PLC 在數(shù)字伺服電機控制中的應用 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 通過控制內部晶體管的開關使得輸出 Q 呈現(xiàn)不同的電平信號 或發(fā)出脈沖信號 L 一 PG P lM 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 為電機旋轉方向控制回路 當該回路的發(fā)光二極管點亮時 電 機正轉 否則反轉 由于伺服放大器內部電阻只有 100 歐 為 了防止電流過大燒壞內部的發(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 9KO 2 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 沖當量由編碼器的分辨率及電機每轉對應的機械位移量等決定 當指令脈沖當量與位置反饋脈沖當量二者 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 的電機位移量 具有電子齒輪功能的伺服系統(tǒng)結構如圖 3 所示 若機械傳動機構的螺距為 w 指令脈沖當 量為 L 編碼器每轉脈沖數(shù)為 P 又考慮到一般電機軸與傳動絲杠為直接相連 則位置反饋脈沖當量 W 4P 具有電子齒輪功能的伺服系統(tǒng)結構圖 由于脈沖當量與反饋脈沖當量不一定相等 就需要使用電子齒輪比來建立兩者的關系 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量和反饋脈沖的位置當量 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 控制私服的具體應用 3 PI C 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 2 PID 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 在實際程序設計中 可用 STEP 7 Micro Win 32 中的 PID 向導程序來完成一個閉環(huán)控制過程 的 PID 算法 從而提高 程序設計效率 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 調節(jié)回路控制 可以得出 用于控制伺服電機旋 轉的脈沖發(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 可以設定 PLC 的 PID 調節(jié)回路調整策略如下 Uset uf0 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 程序設計 以下應用程序是經(jīng)過簡化的 沒有涉及異常情況 其設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 NErW0RK 1 IJD SM0 1 SM0 1 1 僅第一次掃描有效 MOVW 0 VW450 PID 中斷計數(shù)器初始化 MOVB 100 SMB34 設置定時中斷時間間隔為 lOOms ATCH INT PWM PID 10 設定中斷 啟動 PID 執(zhí)行 ENI 開中斷 4 2 中斷程序 NETWORK 1 LD SM0 0 SM0 0 1 每個掃描周期都有效 I CW V VW450 調用中斷程序次數(shù)加 1 NETWORK 2 LDW VW450 10 檢查是否應進行 PID 計算 M0VW 0 VW450 如果如此 清計數(shù)器并繼續(xù) N0T JMP 0 否則 轉人中斷程序結尾 NETWORK 3 計算并裝載 PID PV 過程變量 ID SM0 0 RPS XORW VW464 VW464 清除工作區(qū)域 M0VW ArW0 VW466 讀取模擬數(shù)值 A V466 7 M0VW 16 FFFF VW464 檢查符號位 若為負則擴展符號 LRD DTR VD464 VD396 將其轉化成實數(shù)并裝載人 PV LPP R 32000 0 VD396 正?；?0 0 至 1 0 之間的數(shù)值 NETWORK 4 ID SM0 0 MOVR VIM00 VIM00 VIM00 為設定值 NETWORK 6 ID SM0 0 PID VB396 0 進行 PID 計算 NETWORK 7 LD SM0 0 M0vR VD404 VD464 裝載 PID 輸出至工作區(qū) R VD400 VD464 R 1000 0 VIM64 縮放數(shù)值 TRUNC VD464 VD464 將數(shù)值轉化成整數(shù) MOVW VW 466 VW 1000 VW1000 為 PLC 輸出脈沖周期 NETWORK 8 伺服電機右反轉控制 PWM SMW68 78 lIFO 周期值 SMW70 80 PWM 脈沖寬度 SMD72 82 lIFO 脈沖計數(shù)值 LD SM0 0 MOVB 16 D3 SMB77 輸出脈沖周期為 500 微秒 MOVW VW 1000 SMW 78 MOVW VW 1000 VW1 1 18 I 2 VWl118 MOVW VW 1118 SMW 80 PIS 1 NETWORK 9 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動器并且使能與物理伺服軸相 關的已組態(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 Axis in Motion 的故障 MSF 指令用于直接立即關斷 伺服驅動器輸出 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系 若不建立一個坐標系 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 而且控制方式復雜 所以在成熟合理的控制系統(tǒng) 中建立坐標系是必不可少的一個環(huán)節(jié) 坐標系的建立可以使控制變得很方便 且可實現(xiàn)對系統(tǒng)當前所在位 置的實時反饋等功能 本次設計所控制的軸為以羅克韋爾公司型號為 Y 1002 2 H00AA 的電動驅動的兩根絲桿 絲桿長 330mm 每個螺距為 5mm 其實物如圖 1 所示 伺服軸 系統(tǒng)的架構如下圖 系統(tǒng)的實現(xiàn) 在硬件上一個完整的伺服系統(tǒng)由控制器 通信網(wǎng)絡 驅動器 電動機 執(zhí)行機構及檢測裝 置組成 其中控制器相當于人的大腦 用來分析各種輸入信號 命令和反饋等 通信網(wǎng)絡相當于人的神 經(jīng)系統(tǒng) 如 SERCOS 接口 DeviceNet 接口等 而驅動器則像是肌肉所起的作用一樣 用于將控制信號 進行功率放大 以驅動電動機 電動機相當于手 而人手中的生產(chǎn)工具則是伺服系統(tǒng)的中執(zhí)行機構 如滾 珠絲桿等 將電動機的旋轉運動轉化為直線運動 在以上兩章系統(tǒng)分析和設計中闡述了系統(tǒng)各個部分的 功能和特點 而要實現(xiàn)本次設計的功能的硬件連接如圖 4 1 所示 最常用指令介紹 本次設計中利用 MAJ 和 MAS 指令來實現(xiàn)手動程序的編寫 在程序中 MAJ Motion Axis Jog 指令用于點動伺服軸 點動軸的輪廓可設置為按照 S 形曲線平滑達到設定速度 也可按照梯形 曲線達到設定速度 同時該指令可將任何當前軸的運動轉換為單純的點動運動 軸在點動運行過程中 可 以使用 MAS 指令停止該軸 或觸發(fā)另一個 MAJ 指令 MAS Motion Axis Stop 指令用于停止指定物理 軸的任意運動 而無需禁止其伺服環(huán) 如果伺服環(huán)閉合 對于任何被控制的軸運動均可使用該指令以設 定的減速度進行停止 其可選用的停止方式有點動停止方式 齒輪停止等 程序設計如下 注 其中的一些中間寄存器為上位機 HMI 設置用的 可以不考慮 PLC 控制臺達伺服電機圖片 接線圖 草圖 有待整理優(yōu)化 1 PLC 接線圖 K1A K1B K3B 等中間繼電器采用固態(tài)繼電器 2 伺服控制器接線圖 伺服控制器為北京欣斯達特數(shù)字科技有限公司產(chǎn)品 該 MicroStep TX 3H504D 驅動器性能如下 二 編程