初始化程序MOVW200，PLC在伺服電機位置控制中的應用研究
摘要：伴隨著工業(yè)自動化的發(fā)展，對其中的位置控制度也逐步的提高，如何能方便，準確的實現(xiàn)位置控制，是一個重大的問題，本文講述了如何采用PLC可編程控制器來實現(xiàn)控制。分別列舉了三項方法，以及他們之間的相互比較。
引言
隨著自動化水平的不斷提高，越來越多的工業(yè)控制場合需要的位置控制。因此，如何更方便、更準確地實現(xiàn)位置控制是工業(yè)控制領(lǐng)域內(nèi)的一個重要問題。位置控制的性主要取決于伺服驅(qū)動器和運動控制器的精度。的運動控制模塊可以對伺服系統(tǒng)進行非常復雜的運動控制。但在有些需要位置控制的場合，其對位置精度的要求比較高，但運動的復雜程度不是很高，這就沒有必要選擇那些昂貴的運動控制系統(tǒng)。
S7-200系列PLC是一種體積小、編程簡單、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實現(xiàn)對伺服電機運動位置較為的控制是本文的研究重點。
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、編碼器和伺服驅(qū)動器。交流伺服系統(tǒng)的工作原理是伺服驅(qū)動器發(fā)送運動命令，驅(qū)動伺服電機運動，并接收來自編碼器的反饋信號，然后重新計算伺服電機運動目標位置，從而達到控制伺服電機運動。
本伺服系統(tǒng)中選用Exlar公司生產(chǎn)的GSX50-0601型伺服直線電動缸。該電動缸由普通伺服電機和一個行星滾珠絲杠組成，用來實現(xiàn)將旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)變?yōu)橹本€運動。此外，選用Xenus公司生產(chǎn)的XenusTM型伺服驅(qū)動器。它可以利用RS．232串口通信方式和外部脈沖方式實現(xiàn)位置控制。
一般來說，一個伺服系統(tǒng)運轉(zhuǎn)需要配置一個上位機，所以本系統(tǒng)采用西門子S7-200PLC作為上位機控制器。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運動。
2、高速脈沖輸出模式
西門子CPU224XP配置兩個內(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。這兩個脈沖發(fā)生器的zui大脈沖輸出頻率為100kHz。在脈沖串輸出方式中，PLC可生成一個50％占空比脈沖串，用于步進電機或伺服電機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。控制過程中，將伺服驅(qū)動器工作定義在脈沖+方向模式下，Q0.0發(fā)送脈沖信號，控制電機的轉(zhuǎn)速和目標位置；Qo，發(fā)送方向信號，控制電機的運動方向。伺服電動缸上帶有左限位開關(guān)LIM一、右限位開關(guān)LIM+以及參考點位置開關(guān)REF。三個限位信號分別連接到CPU224XP的I0.0～I0.2三個端子上，可通過軟件編程，實現(xiàn)限位和找尋參考點。
圖1位置控制原理圖
2.2程序設(shè)計
高速脈沖串輸出（PTO）可以通過Step7Micro/WIN的位置控制向?qū)нM行組態(tài)，也可通過軟件編程實現(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)置脈沖計數(shù)值等于10（或更?。?，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數(shù)；通過啟用高速計數(shù)器HSC，對輸出脈沖進行實時計數(shù)和定位控制，以控制伺服電機的運動過程。
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)生脈沖串用于步進電機與伺服電機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，并同時清除放大器錯誤。LIM-、LIM+、REF分別為電機左限位、右限位以及參考點。
圖3EM253位置控制原理圖
3.2程序設(shè)計
EM253位置控制模塊可以通過Step7-Micro/WIN進行向?qū)渲茫渲猛瓿珊笙到y(tǒng)將自動生成子程序，編程簡單、可輕松實現(xiàn)手動、自動、軌跡運行模式。由于EM253屬于開環(huán)控制，不能很好地反饋電機實際運動情況。因此，利用伺服驅(qū)動器本身的差分輸出信號，通過伺服驅(qū)動器軟件設(shè)置，反饋給PLC，實現(xiàn)閉環(huán)位置控制。但由于直線伺服電動缸與PLE可允許發(fā)送接收信號存在一定差別，因此，需要對輸入到PLC的信號進行電平的轉(zhuǎn)化以及降低伺服驅(qū)動器發(fā)送的反饋脈沖頻率。PLC對輸入脈沖進行累加，從而得到電機的實際運轉(zhuǎn)位置與運轉(zhuǎn)速度，其脈沖計數(shù)程序如下。
①計數(shù)器初始化程序
LDSMO.1//掃描時
MOVB16#FC,SMB47//SMB47=16#F4,SMB47為高速計數(shù)器1的控制字節(jié)
HDEF1，9//將HSC1配置為正交模式
MOVD0,SMD48//設(shè)置HSCI的新初始值為0
MOVD20000，SMD52//設(shè)置HSCI的新預設(shè)值為20000
HSCI//激活高速計數(shù)器I
?、诿}沖計數(shù)程序
LDSMO.0
MOVDHC1，VD600//將高速計數(shù)器1所記數(shù)值存儲在VD600中
DTRVD600,VD610//VD601〕中的整數(shù)轉(zhuǎn)化為實數(shù)，存人VD610
/RSOOO,VD610//VD610除以5000存入VD610,5001〕為電機旋轉(zhuǎn)一周編碼器發(fā)送脈沖數(shù)
*R2.54,VD610//VD610乘以2.54存人VD610,2.54為電機旋轉(zhuǎn)一周移動的距離
4、RS-232串口通信方式
4.1硬件構(gòu)成
西門子CPU22<tXP支持無協(xié)議通信，即用戶僅需要對數(shù)據(jù)格式、傳輸速率、起始/停止碼等進行簡單設(shè)定，PLC與外部設(shè)備間就可進行直接數(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現(xiàn)對伺服驅(qū)動器進行運行控制、參數(shù)讀取、伺服驅(qū)動器當前運動狀態(tài)的讀取等操作。
當S7-200系列PLC工作在自由口通信模式下時，一般通過CPU模塊的集成接口進行通信。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S7-200系列PLC的CPU與帶有RS-232標準接口的計算機或伺服驅(qū)動器連接時，需要配套選用S7-200PLC的PC/PPI轉(zhuǎn)換電纜或一個RS-232/RS-485轉(zhuǎn)換器。
4.2PLC與伺服系統(tǒng)通信
4.2.1報文構(gòu)成
S-200PLC在無協(xié)議通信方式工作時，不需要任何通信協(xié)議，通信參數(shù)需要根據(jù)與其進行通信的伺服驅(qū)動器的通信格式進行設(shè)定。本伺服系統(tǒng)選用的Xe-nus伺服驅(qū)動器可通過RS-232與PLC利用ASCII碼進行通信，其ASCII碼消息命令格式如下：
<命令代碼><命令具體參數(shù)><CR>
其中：<命令代碼>為一個單字母代碼；<命令具體參數(shù)>表示電機所要執(zhí)行的任務；<CR>為一個回車返回字符，表示命令結(jié)束。如：sr0x2A21<CR>表示設(shè)置伺服控制器工作在可編程控制模式。
4.2.2程序設(shè)計
程序設(shè)計時，將伺服驅(qū)動器工作定義在可編程位置模式。該模式支持實時更改伺服電機的運動速度、位置，通過RS-232接收來自PLC的ASCII碼命令，執(zhí)行運動。部分程序如下：
?、?/p>
LDSMO.1//掃描
MOVB9,SMB30//設(shè)置自由端口0通信方式SMB30＝9、8位數(shù)據(jù)位、9600、PPI
MOVB188,SMB87//設(shè)置自由端口。接收信息控制5MB87=188
MOVB13，SMB89//設(shè)置自由端口0結(jié)束字符SMB89=13，即結(jié)束字符=<CR>
MOVW0,SMW90//設(shè)置自由端口0空閑超時SMB90=0，信息接收始終處于有效
MOVW200,SMW92//設(shè)置自由端口0信息超時SMB92=200ms
MOVB255,SMB94//設(shè)置自由端口0接收字符zui大數(shù)SMB94=255
ATCHINT_0，9//發(fā)送完成觸發(fā)中斷事件0
ENI//允許中斷
②發(fā)送信息程序
LDNVD3501.1//VD3501.1為接收延遲，自由端口0沒有處于接收延遲時
ASM4.5//自由端口0處于空閑狀態(tài)，SM4.5=1
AB＝VB18,7//命令字節(jié)VB18=7，即要求設(shè)置運動目標位置
SCPY"sr0xca'，VB3100//"sr0xca'，復制到VB3100,"sr0xca'為設(shè)置運動目標位置命令SCATB3600,VB3100//VB360（）內(nèi)的目標位置值連接到設(shè)置目標位置命令后
SCATVB3190,VB3100//VB3190內(nèi)的結(jié)束字節(jié)連接到VB3100后;
XMTVB3100,0//通過自由端口0發(fā)送命令至伺服驅(qū)動器
?、郯l(fā)送完成中斷程序（接收信息）
LDSM0.0//SM0.0總是為1
SSM87.7,1//置SM87.7=1,SM87.7為允許接收信息位
RCVVB3200,0//通過自由端口0接收信息至VB3200
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，詳細介紹了三種伺服電機位置控制方式。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。
?、佘浖幊?/p>
脈沖串輸出方式可以輕松實現(xiàn)一些簡單的位置與速度控制，具有硬件要求簡單、可取代EM253并節(jié)省系統(tǒng)硬件配置等功能。但在編寫較為復雜的運動程序時（如運動需要確定電機運動的原點位置），由于步驟繁瑣，故不能采用該方法加以實現(xiàn)。
?、诳刂凭?/p>
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，它們只負責發(fā)送脈沖，但當伺服電機或伺服驅(qū)動器出現(xiàn)故障時，PLC或EM253都沒得到相應的反饋信息，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，伺服驅(qū)動器均會對發(fā)送的命令做出應答。
?、畚恢每刂平Y(jié)果
伺服電機的速度等于PLC或EM253的輸出脈沖頻匆電機每轉(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zui高頻率為20kHz,EM253的zui高輸出頻率為200kHz,RS-232串口通信控制方式則是發(fā)送ASCII碼設(shè)定運動速度。因此，對于要求高速運動，或高控制精度的伺服驅(qū)動器系統(tǒng)，RS-232串口通信控制方式*，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，伺服驅(qū)動器工作在脈沖+方向模式下，而處于通信控制方式時，伺服驅(qū)動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)實際狀況實時更改伺服電機運動速度與目標位置，EM253位置控制方式只能在手動模式下實時更改速度，采用通信控制方式時，當伺服驅(qū)動器設(shè)置電機在可編程位置控制模式下運動時，可通過RS-232串口發(fā)送ASCII碼命令，實時更改速度和目標位置。
6、結(jié)束語
高速脈沖輸出方式主要應用于對速度及位置控制精度要求均不高的簡單位置控制中，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)的測量系統(tǒng)，可以使用工程單位如毫米，支持、相對和手動的位控方式，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優(yōu)勢，它支持閉環(huán)控制，可實時調(diào)節(jié)速度、位置等;但由于伺服驅(qū)動器型號的不同，所以并不是所有的伺服驅(qū)動器都支持串口通信方式。
在實際應用中，將EM253位置控制方式應用于注塑機注氣系統(tǒng)中，經(jīng)過反復實驗，可實現(xiàn)手動控制、半自動控制、全自動控制等三種控制方式，編程簡單。觸摸屏操作界面簡潔、操作靈活、工作可靠穩(wěn)定。
經(jīng)過詳細介紹與分析比較，三種位置控制方式各有優(yōu)缺點，各有其自身所適合的應用場合，這為今后類似的位置控制提供了一定的參考價值。
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