伺服電機位置控製中的應用

2018-11-22 16:10:00
陸啟矇
原創
2867
摘要:爲瞭探究如何更方便、 準確地實現位置控製 ,確保其位置控製的精度 ,探討瞭基於西門子 S72200繫列 PLC和 Copley繫列伺服繫統的位置控製方法。 通過介紹繫統軟硬件構成及其特點 ,詳細論述瞭 PLC繫統通過高速脈衝輸齣、 EM253 位置控製模塊以及自由口通信這三種方式控製伺服電機 ,以實現絶對運動、 相對運動等 ;衕時對牠們進行瞭一繫列的比較。實驗證明 ,三種控製方式各有其不衕的應用場閤 ,對類似的工業控製具有一定的借鑒蔘考意義。

0  引言

隨著自動化水平的不斷提高 , 越來越多的工業控製場閤需要精確的位置控製。因此 , 如何更方便、更準確地實現位置控製是工業控製領域內的一箇重要問題。位置控製的精確性主要取決於伺服驅動器和運動控製器的精度。 高端的運動控製模塊可以對伺服繫統進行非常複雜的運動控製。 但在有些需要位置控製的場閤 ,其對位置精度的要求比較高 , 但運動的複雜程度不是很高 , 這就沒有必要選擇那些昂貴的高端運動控製繫統。S7 2 200 繫列 PLC 是一種體積小、 編程簡單、 控製方便的可編程控製器 , 牠提供瞭多種位置控製方式可供用戶選擇 , 因此 , 如何利用該繫列 PLC 實現對 伺服電機運動位置較爲精準的控製是本文的研究重點 。

1  基本控製繫統

伺服繫統分爲液壓伺服繫統、 電氣 - 液壓伺服繫統以及電氣伺服繫統[ 1 ]。本文主要討論瞭電氣伺服繫統中的交流伺服繫統 , 其基本組成爲交流伺服電機、 編碼器和伺服驅動器。 交流伺服繫統的工作原理是伺服驅動器髮送運動命令 , 驅動伺服電機運動 , 併接收來自編碼器的反饋信號 , 然後重新計祘伺服電機運動目標位置 , 從而達到精確控製伺服電機運動。

本伺服繫統中選用 Exlar 公司生産的 GSX50 2 0601型伺服直線 電動缸。 該電動缸由普通伺服電機和一箇行星 滾珠絲槓組成 , 用來實現將镟轉運動轉變爲直線運動。此外 , 選用 Xenus 公司生産的 XenusTM型伺服驅動器。 牠可以利用 RS 2 232 串口通信方式和外部脈衝方式實現位置控製。

一般來説 , 一箇伺服繫統運轉需要配置一箇上位機 , 所以本繫統採用西門子 S7 2 200 PLC 作爲上位機控製器。 通過高速脈衝輸齣、 EM253 位置控製模塊、 自由口通信三種方式控製伺服電機運動。

2  高速脈衝輸齣模式

西門子 CPU224XP 配置兩箇內置脈衝髮生器 , 牠有脈衝串輸齣 ( PTO) 和脈衝寬度調製輸齣兩種脈衝髮生模式可供選擇。 這兩箇脈衝髮生器的最大脈衝輸齣頻率爲 100 kHz 。在脈衝串輸齣方式中 , PLC 可生成一箇 50% 佔空比脈衝串 , 用於步進電機或伺服電機的速度和位置的控製。

2. 1 硬件構成

圖 1 爲高速脈衝輸齣方式的位置控製原理圖。 控製過程中 , 將伺服驅動器工作定義在脈衝 + 方曏模式下 ,Q 0. 0 髮送脈衝信號 , 控製電機的轉速和目標位置 ;Q 0. 1 髮送方曏信號 , 控製電機的運動方曏。 伺服電動缸上帶有左限位開關 L I M - 、右限位開關 L I M + 以及蔘考點位置開關REF 。三箇限位信號分彆連接到 CPU224XP 的 I 0. 0 ~ I 0. 2 三箇端子上 , 可通過軟件編程 , 實現限位和找尋蔘考點。


2. 2 程序設計

高速脈衝串輸齣( PTO ) 可以通過 Step 7 2 M icro /W IN 的位置控製曏導進行組態 , 也可通過軟件編程實現控製[ 2 ]。 PTO 輸齣方式沒有專門的位置控製指令 ,隻有一條脈衝串輸齣指令 , 而且在脈衝髮送過程中不能停止 , 也不能修改蔘數 。爲解決以上問題 , 可以設置脈衝計數值等於10 (或更小) ,併能使脈衝髮送指令PLS 處於激活狀態 。這樣 , 就可以在任一脈衝串髮送完之後修改脈衝週期。

圖 2 爲高速脈衝輸齣方式位置控製流程圖。控製思路爲 : 通過 PTO 模式輸齣 , 可以控製脈衝的週期和箇數 ; 通過啟用高速計數器 HSC, 對輸齣脈衝進行實時計數和定位控製 , 以控製伺服電機的運動過程。


3   EM253 位置控製模塊

EM253 位置控製模塊是西門子 S7 2 200 的特殊功能位置控製模塊 , 牠能夠産生脈衝串用於步進電機與伺服電機的速度和位置的開環控製[ 4]。3. 1 硬件構成如圖 3 所示爲 EM253 位置控製原理圖 , 定義伺服驅動器工作在脈衝 + 方曏模式下。 P 0 口髮送脈衝 , P 1口髮送方曏 ,D IS 端硬件使能放大器 , 併衕時清除放大器錯誤 ,L I M - 、 L I M + 、 REF 分彆爲電機左限位、 右限位以及蔘考點。

3. 2 程序設計

EM253 位置控製模塊可以通過 Step 7 2 M icro /W IN進行曏導配置 , 配置完成後繫統將自動生成子程序 , 編程簡單、可輕鬆實現手動、自動、軌跡運行模式[ 4 ]。由於EM253 屬於開環控製 , 不能很好地反饋電機實際運動情況。因此 , 利用伺服驅動器本身的差分輸齣信號 , 通過伺服驅動器軟件設置 , 反饋給 PLC, 實現閉環位置控製。但由於直線伺服電動缸與 PLC 可允許髮送接收信號存在一定差彆[5 ], 因此 , 需要對輸入到 PLC 的信號進行電平的轉化以及降低伺服驅動器髮送的反饋脈衝頻率。PLC 對輸入脈衝進行纍加 , 從而得到電機的實際運轉位置與運轉速度 , 其脈衝計數程序如下。

4   RS 2 232 串口通信方式

4. 1 硬件構成

西門子 CPU224XP 支持無協議通信 , 卽用戶僅需要對 數據格式、傳輸速率、起始 / 停止碼等進行簡單設定 , PLC 與外部設備間就可進行直接數據髮送與接收的一種通信 方式 [4, 6] 。伺服繫統和 PLC 分彆作爲繫統的主從站。 PLC 控製器通過該通信功能可實現對伺服驅動器進行運行控 製、蔘數讀取、伺服驅動器當前運動狀態的讀取等操作。

當 S7 2 200 繫列 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 口採用瞭 PPI 硬件規範 , 其接口爲 RS 2 485 串口 , 因此 , 當 S7 2 200 繫列 PLC 的 CPU 與帶有 RS 2 232 標準接口的 計祘機或伺服驅動器連接時 , 需要配套選用 S7 2 200 PLC 的 PC/PPI 轉換電纜或一箇 RS 2 232/RS 2 485 轉換器 [ 7 ]

4. 2 PLC與伺服繫統通信

4. 2. 1  報文構成

S7 2 200 PLC 在無協議通信方式工作時 , 不需要任 何通信協議 , 通信蔘數需要根據與其進行通信的伺服 驅動器的通信格式進行設定。本伺服繫統選用的 Xe 2 nus 伺服驅動器可通過 RS 2 232 與 PLC 利用 ASC II 碼進 行通信 , 其 ASCII 碼消息命令格式如下 :

< 命令代碼 > < 命令具體蔘數 > < CR > 其中 : < 命令代碼 > 爲一箇單字母代碼 ; < 命令具體蔘 數 > 錶示電機所要執行的任務 ; < CR > 爲一箇迴車返 迴字符 , 錶示命令結束 。如 : s r0x24 21 < CR > 錶示設 置伺服控製器工作在可編程控製模式 。

5  三種控製方式的分析比較

上文分彆從硬件結構與軟件編程等方麵 , 詳細介 紹瞭三種伺服電機位置控製方式。 爲瞭更好地理解這 三種方式的差異 , 我們從軟件與控製結果的角度作如 下分析比較 。

①軟件編程

脈衝串輸齣方式可以輕鬆實現一些簡單的位置與 速度控製 , 具有硬件要求簡單、可取代 EM253 併節省繫 統硬件配置等功能。 但在編寫較爲複雜的運動程序時 ( 如絶對運動需要確定電機運動的原點位置 ) , 由於步驟 繁瑣 , 故不能採用該方法加以實現。

②控製精度

高速脈衝輸齣方式和 EM253 位置控製方式均屬 於開環位置控製 , 牠們隻負責髮送脈衝 , 但當伺服電機 或伺服驅動器齣現故障時 , PLC 或 EM253 都沒得到相 應的反饋信息 , 仍然在不斷曏外髮送脈衝 ; 而採用通信 控製方式則是在每次髮送命令結束時 , 伺服驅動器均 會對髮送的命令做齣應答 。

③位置控製結果

伺服電機的速度等於 PLC 或 EM253 的輸齣脈衝頻 率 / 電機每轉一圈髮送的脈衝數 , 或直接通過 RS 2 232 串口 髮 送 ASCII 碼 控 製。由 於 S7 2 200 繫 列 PLC ( 除 CPU224XP) 高速脈衝輸齣口的最高頻率爲 20kHz, EM253 的最高輸齣頻率爲 200kHz, RS 2 232 串口通信控製方式則 是髮送 ASCII 碼設定運動速度。 因此 , 對於要求高速運 動 , 或高控製精度的伺服驅動器繫統 , RS 2 232 串口通信控 製方式最優 , 而高速脈衝輸齣方式則不能滿足要求。

採用高速脈衝輸齣控製和 EM253 位置控製方式 時 , 伺服驅動器工作在脈衝 + 方曏模式下 , 而處於通信 控製方式時 , 伺服驅動器工作在可編程位置控製模式 下。高速脈衝輸齣方式不能根據實際狀況實時更改伺 服電機運動速度與目標位置 , EM253 位置控製方式隻能 在手動模式下實時更改速度 , 採用通信控製方式時 , 當 伺服驅動器設置電機在可編程位置控製模式下運動時 , 可通過 RS 2 232 串口髮送 ASCII 碼命令 , 實時更改速度和 目標位置。

6  結束語

高速脈衝輸齣方式主要應用於對速度及位置控製 精度要求均不高的簡單位置控製中 , 從而節省硬件 資源 。 EM253 位置控製方式編程簡單 , 牠支持高速 脈衝輸齣 、支持線性的加減速功能 、提供可組態的測 量繫統 , 可以使用工程單位如毫米 , 支持絶對 、相對 和手動的位控方式 , 提供連續操作 。 RS 2 232 串口通 信方式在三種位置控製方式中最具優勢 , 牠支持閉 環控製 , 可實時調節速度 、位置等 ; 但由於伺服驅動 器型號的不衕 , 所以併不是所有的伺服驅動器都支 持串口通信方式 。

在實際應用中 , 將 EM253 位置控製方式應用於註 塑機註氣繫統中 , 經過反覆實驗 , 可實現手動控製、 半 自動控製 、全自動控製等三種控製方式 , 編程簡單。觸 摸屏操作界麵簡潔、操作靈活、工作可靠穩定。 經過詳細介紹與分析比較 , 三種位置控製方式各 有優缺點 , 各有其自身所適閤的應用場閤 , 這爲今後類 似的位置控製提供瞭一定的蔘考價值。


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