PLC控制伺服电机应用实例

PLC 控制伺服电机应用实例 写出组成整个系统的 PLC 模块及外围器件 并附相关程序 PLC 品牌不限 以松下 FP1 系列 PLC 和 A4 系列伺服驱动为例 编制控制伺服电机定长正 反旋转的 PLC 程序并设计外 围接线图 此方案不采用松下的位置控制模块 FPG PP11 12 21 22 等 而是用晶体管输出式的 PLC 让 其特定输出点给出位置指令脉冲串 直接发送到伺服输入端 此时松下 A4 伺服工作在位置模式 在 PLC 程序中设定伺服电机旋转速度 单位为 rpm 设伺服电机设定为 1000 个脉冲转一圈 PLC 输出脉冲 频率 速度设定值 6 100 HZ 假设该伺服系统的驱动直线定位精度为 0 1mm 伺服电机每转一 圈滚珠丝杠副移动 10mm 伺服电机转一圈需要的脉冲数为 1000 故该系统的脉冲当量或者说驱动分辨 率为 0 01mm 一个丝 PLC 输出脉冲数 长度设定值 10 以上的结论是在伺服电机参数设定完的基础上得出的 也就是说 在计算 PLC 发出脉冲频率与脉冲前 先根据机械条件 综合考虑精度与速度要求设定好伺服电机的电子齿轮比 大致过程如下 机械机构确定后 伺服电机转动一圈的行走长度已经固定 如上面所说的 10mm 设计要求的定位精度 为 0 1mm 10 个丝 为了保证此精度 一般情况下是让一个脉冲的行走长度低于 0 1mm 如设定一个脉 冲的行走长度为如上所述的 0 01mm 于是电机转一圈所需要脉冲数即为 1000 个脉冲 此种设定当电机 速度要求为 1200 转 分时 PLC 应该发出的脉冲频率为 20K 松下 FP1 40T 的 PLC 的 CPU 本体可以 发脉冲频率为 50KHz 完全可以满足要求 如果电机转动一圈为 100mm 设定一个脉冲行走仍然是 0 01mm 电机转一圈所需要脉冲数即为 10000 个脉冲 电机速度为 1200 转时所需要脉冲频率就是 200K PLC 的 CPU 输出点工作频率就不够了 需要 位置控制专用模块等方式 有了以上频率与脉冲数的算法就只需应用 PLC 的相应脉冲指令发出脉冲即可实现控制了 假设使用松下 A4 伺服 其工作在位置模式 伺服电机参数设置与接线方式如下 一 按照伺服电机驱动器说明书上的 位置控制模式控制信号接线图 接线 pin3 PULS1 pin4 PULS2 为脉冲信号端子 PULS1 连接直流电源正极 24V 电源需串连 2K 左右的电 阻 PULS2 连接控制器 如 PLC 的输出端子 pin5 SIGN1 pin6 SIGN2 为控制方向信号端子 SIGN1 连接直流电源正极 24V 电源需串连 2K 左右 的电阻 SIGN2 连接控制器 如 PLC 的输出端子 当此端子接收信号变化时 伺服电机的运转方向改变 实际运转方向由伺服电机驱动器的 P41 P42 这两个参数控制 pin7 com 与外接 24V 直流电源的正极 相连 pin29 SRV 0N 伺服使能信号 此端子与外接 24V 直流电源的负极相连 则伺服电机进入使能状 态 通俗地讲就是伺服电机已经准备好 接收脉冲即可以运转 上面所述的六根线连接完毕 电源 编码器 电机线当然不能忘 伺服电机即可根据控制器发出的脉冲 与方向信号运转 其他的信号端子 如伺服报警 偏差计数清零 定位完成等可根据您的要求接入控制器 构成更完善的控制系统 二 设置伺服电机驱动器的参数 1 Pr02 控制模式选择 设定 Pr02 参数为 0 或是 3 或是 4 3 与 4 的区别在于当 32 C MODE 端子 为短路时 控制模式相应变为速度模式或是转矩模式 而设为 0 则只为位置控制模式 如果您只要求位 置控制的话 Pr02 设定为 0 或是 3 或是 4 是一样的 2 Pr10 Pr11 Pr12 增益与积分调整 在运行中根据伺服电机的运行情况相应调整 达到伺服电机运 行平稳 当然其他的参数也需要调整 Pr13 Pr14 Pr15 Pr16 Pr20 也是很重要的参数 在您不太熟悉前 只调整这三个参数也可以满足基本的要求 3 Pr40 指令脉冲输入选择 默认为光耦输入 设为 0 即可 也就是选择 3 PULS1 4 PULS2 5 SIGN1 6 SIGN2 这四个端子输入脉冲与方向信号 4 Pr41 Pr42 简单地说就是控制伺服电机运转方向 Pr41 设为 0 时 Pr42 设为 3 则 5 SIGN1 6 SIGN2 导通时为正方向 CCW 反之为反方向 CW Pr41 设为 1 时 Pr42 设为 3 则 5 SIGN1 6 SIGN2 断开时为正方向 CCW 反之为反方向 CW 正 反方向是相对的 看您如何定义了 正确的 说法应该为 CCW CW 5 Pr48 Pr4A Pr4B 电子齿轮比设定 此为重要参数 其作用就是控制电机的运转速度与控制器 发送一个脉冲时电机的行走长度 其公式为 伺服电机每转一圈所需的脉冲数 编码器分辨率 Pr4B Pr48 2 Pr4A 伺服电机所配编码器如果为 2500p r 5 线制增量式编码器 则编码器分辨率为 10000p r 如您连接伺服电机轴的丝杆间距为 20mm 您要做到控制器发送一个脉冲伺服电机行走长度为一个丝 0 01mm 计算得知 伺服电机转一圈需要 2000 个脉冲 每转一圈所需脉冲确定了 脉冲频率与伺服电 机的速度的关系也就确定了 三个参数可以设定为 Pr4A 0 Pr48 10000 Pr4B 2000 约分一下则为 Pr4A 0 Pr48 100 Pr4B 20 从上面的叙述可知 设定 Pr48 Pr4A Pr4B 这三个参数是根据我们控制器所能发送的最大脉冲频率 与工艺所要求的精度 在控制器的最大发送脉冲频率确定后 工艺精度要求越高 则伺服电机能达到的最 大速度越低 松下 FP1 40 T 型 PLC 的程序梯型图如下 S7 200 PLC 在数字伺服电机控制中的应用 首先了解 plc 如何控制伺服电机 1 电机的连线及控制 本应用实例选择的是位置控制模式 脉冲输入方式有集电极开路方式和差动驱动方式两种 为了方 便的实现同时对两部电机的控制 采用差动驱动方式 与 PLC 的接线图如图所示 PLC 与伺服放大器接线图 图中 L 为公共 PLC 端子 接 24VDC 正端 通过控制内部晶体管的开关使得输出 Q 呈现不同的电平信号 或发出脉冲信号 L 一 PG P lM L 为脉冲输入回路 PLC 控制该回路中的发光二极管的亮灭 形成 脉冲编码输入 L 一 NG NP 一 1M L 为电机旋转方向控制回路 当该回路的发光二极管点亮时 电 机正转 否则反转 由于伺服放大器内部电阻只有 100 欧 为 了防止电流过大烧坏内部的发光二极管 需要外接电阻 R 其阻值的计算如下 根据公式 1 可以选择 R 3 9KO 2 电子齿轮比 数字交流伺服系统具有位置控制的功能 可通过上位控制器发出位置指令脉冲 而伺服系统的位置反馈脉 冲当量由编码器的分辨率及电机每转对应的机械位移量等决定 当指令脉冲当量与位置反馈脉冲当量二者 不一致时 就需要使用电子齿轮使二者匹配 使用了电子齿轮功能 就可以任意决定一个输入脉冲所相当 的电机位移量 具有电子齿轮功能的伺服系统结构如图 3 所示 若机械传动机构的螺距为 w 指令脉冲当 量为 L 编码器每转脉冲数为 P 又考虑到一般电机轴与传动丝杠为直接相连 则位置反馈脉冲当量 W 4P 具有电子齿轮功能的伺服系统结构图 由于脉冲当量与反馈脉冲当量不一定相等 就需要使用电子齿轮比来建立两者的关系 具体计算公式为 AL 3M CMX CDV 因此根据一个指令脉冲的位置当量和反馈脉冲的位置当量 就可以确定具体的电子齿轮比 三菱该系列 伺服电机的电子齿轮比的设定范围 对于输入的脉冲 可以乘上其中任意倍率使机械运行 下面是 plc 控制私服的具体应用 3 PI C 控制原理及控制模型 本例采用了西门子 s7 200 系列 CPU226 作为主控制器 它是 s7 200 系列中的高档 PLC 本机自 带 24 个数字输人口 l6 个数字输出口及两个 RS 422 485 串行通讯口 最多可扩展 7 个应用模块 j 实 际项目中 通过扩展 EM231 模拟量输入模块来采集电压信号 输入的模拟信号可在 0 10V 5V 0 20mA 等多种信号输入方式中选择 最终 PLC 根据输入电压信号的大小控制脉冲发送 周期的长短 从而达到控制伺服电机速度的目的 3 1 高速数字脉冲输出 西门子 s7 200 系列 AC DC DC 交流供电 直流 I O 类型 PLC 上集成了两个高速脉冲输出口 两个高速脉冲输出口分别 通过 Qo 0 Qo 1 两个输出端子输出 输出时可选择 PWM 脉宽调制 和 PIO 脉冲串 方式 PIO 方式 每次只能发出固定脉冲 脉冲开始发送后直到发送完毕才能开始新的脉冲串 PWM 方式相对灵活 在 脉冲发送期间可随时改变脉冲周期及宽度 其中脉冲周期可以选择微秒级或毫秒级 3 2 PID 功能特性 该系列 PLC 可以通过 PID 回路指令来进行 PID 运算 在一个程序中最多可以用 8 条 PID 指令 既最 多可同时实现 8 个 PID 控制算法 在实际程序设计中 可用 STEP 7 Micro Win 32 中的 PID 向导程序来完成一个闭环控制过程 的 PID 算法 从而提高 程序设计效率 3 3 控制模型 控制模型方框图如下图所示 其中 Uset 为极间电压给定值 此时产气状态最佳 Uf 为极间电压采样值 Vout 为伺服电机 运转速度 通过对电弧电压采样值与弧间电压给定值的比较并经过 PLC 的 PID 调节回路控制 可以得出 用于控制伺服电机旋 转的脉冲发送周期 T 从而使伺服电机的送棒速度不停的得到调整 这样就达到了控制两极间距的目的 保证了两极间距的 相对稳定 也就保证了极间电压的稳定性 PID 调节控制原理框图 根据极间距对极间电压的影响 可以设定 PLC 的 PID 调节回路调整策略如下 Uset uf0 T 增大 通过上述控制方法 能够比较精确的实现对 UF 的控制 4 程序设计 以下应用程序是经过简化的 没有涉及异常情况 其设计以本文前面所述方法及原理为依据 并给出了详 尽的程序注释 4 1 主程序 NErW0RK 1 IJD SM0 1 SM0 1 1 仅第一次扫描有效 MOVW 0 VW450 PID 中断计数器初始化 MOVB 100 SMB34 设置定时中断时间间隔为 lOOms ATCH INT PWM PID 10 设定中断 启动 PID 执行 ENI 开中断 4 2 中断程序 NETWORK 1 LD SM0 0 SM0 0 1 每个扫描周期都有效 I CW V VW450 调用中断程序次数加 1 NETWORK 2 LDW VW450 10 检查是否应进行 PID 计算 M0VW 0 VW450 如果如此 清计数器并继续 N0T JMP 0 否则 转人中断程序结尾 NETWORK 3 计算并装载 PID PV 过程变量 ID SM0 0 RPS XORW VW464 VW464 清除工作区域 M0VW ArW0 VW466 读取模拟数值 A V466 7 M0VW 16 FFFF VW464 检查符号位 若为负则扩展符号 LRD DTR VD464 VD396 将其转化成实数并装载人 PV LPP R 32000 0 VD396 正常化至 0 0 至 1 0 之间的数值 NETWORK 4 ID SM0 0 MOVR VIM00 VIM00 VIM00 为设定值 NETWORK 6 ID SM0 0 PID VB396 0 进行 PID 计算 NETWORK 7 LD SM0 0 M0vR VD404 VD464 装载 PID 输出至工作区 R VD400 VD464 R 1000 0 VIM64 缩放数值 TRUNC VD464 VD464 将数值转化成整数 MOVW VW 466 VW 1000 VW1000 为 PLC 输出脉冲周期 NETWORK 8 伺服电机右反转控制 PWM SMW68 78 lIFO 周期值 SMW70 80 PWM 脉冲宽度 SMD72 82 lIFO 脉冲计数值 LD SM0 0 MOVB 16 D3 SMB77 输出脉冲周期为 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 本例给出了利用西门子 PLC 的高速脉冲输出及 PID 控制功能 实现对数字式交流伺服电机进行控制的原 理及相应编程方法 此控制方法已成功用于水燃气生产控制系统中 效果良好 基于 1756 M08SE 模块的多轴交流伺服控制系统 二轴 由于开发程序较大 这里我们只给出伺服的点动 正反向 等的控制 先介绍如下 总体概述 罗克韦尔伺服传动习惯于用 EQU 等于指令 比较数字量输入模块 0 号位输入次数的奇偶 次数来分别控制伺服环的闭合和断开 其中 MSO 指令用于直接激活伺服驱动器并且使能与物理伺服轴相 关的已组态伺服环 触发 MSO 指令后 指定轴进入伺服控制状态 当轴处于移动状态时 执行该指令无 效 如果这时触发了该指令 MSO 指令会产生一个 Axis in Motion 的故障 MSF 指令用于直接立即关断 伺服驱动器输出 并且禁止物理伺服轴的伺服环 这会使轴处于准备状态 该指令可以禁止任意正在执行 的其他运动规划 且若需要直接用手来移动轴时 可以用该指令关断伺服操作 要成功执行以上两条运动状态指令 有个必要的前提 即目标轴必须组态为伺服轴 如果该条件不满足 该指令会产生错误 建立坐标也是主程序中一个非常重要的环节 无论是在工业现场或者是其它地方的运动控制系统中 基本上都须要建立一个坐标系 若不建立一个坐标系 虽然可以用增量式的控制方式来实现一些简单的控 制 但是这样的方式不能实现对实际位置的反馈等操作 而且控制方式复杂 所以在成熟合理的控制系统 中建立坐标系是必不可少的一个环节 坐标系的建立可以使控制变得很方便 且可实现对系统当前所在位 置的实时反馈等功能 本次设计所控制的轴为以罗克韦尔公司型号为 Y 1002 2 H00AA 的电动驱动的两根丝杆 丝杆长 330mm 每个螺距为 5mm 其实物如图 1 所示 伺服轴 系统的架构如下图 系统的实现 在硬件上一个完整的伺服系统由控制器 通信网络 驱动器 电动机 执行机构及检测装 置组成 其中控制器相当于人的大脑 用来分析各种输入信号 命令和反馈等 通信网络相当于人的神 经系统 如 SERCOS 接口 DeviceNet 接口等 而驱动器则像是肌肉所起的作用一样 用于将控制信号 进行功率放大 以驱动电动机 电动机相当于手 而人手中的生产工具则是伺服系统的中执行机构 如滚 珠丝杆等 将电动机的旋转运动转化为直线运动 在以上两章系统分析和设计中阐述了系统各个部分的 功能和特点 而要实现本次设计的功能的硬件连接如图 4 1 所示 最常用指令介绍 本次设计中利用 MAJ 和 MAS 指令来实现手动程序的编写 在程序中 MAJ Motion Axis Jog 指令用于点动伺服轴 点动轴的轮廓可设置为按照 S 形曲线平滑达到设定速度 也可按照梯形 曲线达到设定速度 同时该指令可将任何当前轴的运动转换为单纯的点动运动 轴在点动运行过程中 可 以使用 MAS 指令停止该轴 或触发另一个 MAJ 指令 MAS Motion Axis Stop 指令用于停止指定物理 轴的任意运动 而无需禁止其伺服环 如果伺服环闭合 对于任何被控制的轴运动均可使用该指令以设 定的减速度进行停止 其可选用的停止方式有点动停止方式 齿轮停止等 程序设计如下 注 其中的一些中间寄存器为上位机 HMI 设置用的 可以不考虑 PLC 控制台达伺服电机图片 接线图 草图 有待整理优化 1 PLC 接线图 K1A K1B K3B 等中间继电器采用固态继电器 2 伺服控制器接线图 伺服控制器为北京欣斯达特数字科技有限公司产品 该 MicroStep TX 3H504D 驱动器性能如下 二 编程