0 　引言

隨著(zhù)自動(dòng)化水平的不斷提高 , 越來(lái)越多的工業(yè)控制場(chǎng)合需要精確的位置控制。因此 , 如何更方便、更準確地實(shí)現位置控制是工業(yè)控制領(lǐng)域內的一個(gè)重要問(wèn)題。位置控制的精確性主要取決于伺服驅動(dòng)器和運動(dòng)控制器的精度。 高端的運動(dòng)控制模塊可以對伺服系統進(jìn)行非常復雜的運動(dòng)控制。 但在有些需要位置控制的場(chǎng)合 ,其對位置精度的要求比較高 , 但運動(dòng)的復雜程度不是很高 , 這就沒(méi)有必要選擇那些昂貴的高端運動(dòng)控制系統。S7 2 200 系列 PLC 是一種體積小、 編程簡(jiǎn)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(hù)選擇 , 因此 , 如何利用該系列 PLC 實(shí)現對伺服電機運動(dòng)位置較為精準的控制是本文的研究重點(diǎn) 。

1 　基本控制系統

伺服系統分為液壓伺服系統、 電氣 - 液壓伺服系統以及電氣伺服系統[ 1 ]。本文主要討論了電氣伺服系統中的交流伺服系統 , 其基本組成為交流伺服電機、 編碼器和伺服驅動(dòng)器。 交流伺服系統的工作原理是伺服驅動(dòng)器發(fā)送運動(dòng)命令 , 驅動(dòng)伺服電機運動(dòng) , 并接收來(lái)自編碼器的反饋信號 , 然后重新計算伺服電機運動(dòng)目標位置 , 從而達到精確控制伺服電機運動(dòng)。

本伺服系統中選用 Exlar 公司生產(chǎn)的 GSX50 2 0601型伺服直線(xiàn)電動(dòng)缸。 該電動(dòng)缸由普通伺服電機和一個(gè)行星滾珠絲杠組成 , 用來(lái)實(shí)現將旋轉運動(dòng)轉變?yōu)橹本€(xiàn)運動(dòng)。此外 , 選用 Xenus 公司生產(chǎn)的 XenusTM型伺服驅動(dòng)器。 它可以利用 RS 2 232 串口通信方式和外部脈沖方式實(shí)現位置控制。

一般來(lái)說(shuō) , 一個(gè)伺服系統運轉需要配置一個(gè)上位機 , 所以本系統采用西門(mén)子 S7 2 200 PLC 作為上位機控制器。 通過(guò)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(dòng)。

2 　高速脈沖輸出模式

西門(mén)子 CPU224XP 配置兩個(gè)內置脈沖發(fā)生器 , 它有脈沖串輸出 ( PTO) 和脈沖寬度調制輸出兩種脈沖發(fā)生模式可供選擇。 這兩個(gè)脈沖發(fā)生器的最大脈沖輸出頻率為 100 kHz 。在脈沖串輸出方式中 , PLC 可生成一個(gè) 50% 占空比脈沖串 , 用于步進(jìn)電機或伺服電機的速度和位置的控制。

2. 1　硬件構成

圖 1 為高速脈沖輸出方式的位置控制原理圖。 控制過(guò)程中 , 將伺服驅動(dòng)器工作定義在脈沖 + 方向模式下 ,Q 0. 0 發(fā)送脈沖信號 , 控制電機的轉速和目標位置 ;Q 0. 1 發(fā)送方向信號 , 控制電機的運動(dòng)方向。伺服電動(dòng)缸上帶有左限位開(kāi)關(guān) L I M - 、右限位開(kāi)關(guān) L I M + 以及參考點(diǎn)位置開(kāi)關(guān)REF 。三個(gè)限位信號分別連接到 CPU224XP 的 I 0. 0 ～ I 0. 2 三個(gè)端子上 , 可通過(guò)軟件編程 , 實(shí)現限位和找尋參考點(diǎn)。

2. 2　程序設計

高速脈沖串輸出( PTO ) 可以通過(guò) Step 7 2 M icro /W IN 的位置控制向導進(jìn)行組態(tài) , 也可通過(guò)軟件編程實(shí)現控制[ 2 ]。 PTO 輸出方式?jīng)]有專(zhuān)門(mén)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(guò)程中不能停止 , 也不能修改參數 。為解決以上問(wèn)題 , 可以設置脈沖計數值等于10 (或更小) ,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?: 通過(guò) PTO 模式輸出 , 可以控制脈沖的周期和個(gè)數 ; 通過(guò)啟用高速計數器 HSC, 對輸出脈沖進(jìn)行實(shí)時(shí)計數和定位控制 , 以控制伺服電機的運動(dòng)過(guò)程。

3 　 EM253 位置控制模塊

EM253 位置控制模塊是西門(mén)子 S7 2 200 的特殊功能位置控制模塊 , 它能夠產(chǎn)生脈沖串用于步進(jìn)電機與伺服電機的速度和位置的開(kāi)環(huán)控制[ 4]。3. 1　硬件構成如圖 3 所示為 EM253 位置控制原理圖 , 定義伺服驅動(dòng)器工作在脈沖 + 方向模式下。 P 0 口發(fā)送脈沖 , P 1口發(fā)送方向 ,D IS 端硬件使能放大器 , 并同時(shí)清除放大器錯誤 ,L I M - 、 L I M + 、 REF 分別為電機左限位、 右限位以及參考點(diǎn)。

3. 2　程序設計

EM253 位置控制模塊可以通過(guò) Step 7 2 M icro /W IN進(jìn)行向導配置 , 配置完成后系統將自動(dòng)生成子程序 , 編程簡(jiǎn)單、可輕松實(shí)現手動(dòng)、自動(dòng)、軌跡運行模式[ 4 ]。由于EM253 屬于開(kāi)環(huán)控制 , 不能很好地反饋電機實(shí)際運動(dòng)情況。因此 , 利用伺服驅動(dòng)器本身的差分輸出信號 , 通過(guò)伺服驅動(dòng)器軟件設置 , 反饋給 PLC, 實(shí)現閉環(huán)位置控制。但由于直線(xiàn)伺服電動(dòng)缸與 PLC 可允許發(fā)送接收信號存在一定差別[5 ], 因此 , 需要對輸入到 PLC 的信號進(jìn)行電平的轉化以及降低伺服驅動(dòng)器發(fā)送的反饋脈沖頻率。PLC 對輸入脈沖進(jìn)行累加 , 從而得到電機的實(shí)際運轉位置與運轉速度 , 其脈沖計數程序如下。

4 　 RS 2 232 串口通信方式

4. 1　硬件構成

西門(mén)子 CPU224XP 支持無(wú)協(xié)議通信 , 即用戶(hù)僅需要對數據格式、傳輸速率、起始 / 停止碼等進(jìn)行簡(jiǎn)單設定 , PLC與外部設備間就可進(jìn)行直接數據發(fā)送與接收的一種通信方式[4, 6]。伺服系統和 PLC 分別作為系統的主從站。 PLC控制器通過(guò)該通信功能可實(shí)現對伺服驅動(dòng)器進(jìn)行運行控制、參數讀取、伺服驅動(dòng)器當前運動(dòng)狀態(tài)的讀取等操作。

當 S7 2 200 系列 PLC 工作在自由口通信模式下時(shí) ,一般通過(guò) CPU 模塊的集成接口進(jìn)行通信。 CPU 集成接口采用了 PPI 硬件規范 , 其接口為 RS 2 485 串口 , 因此 ,當 S7 2 200 系列 PLC 的 CPU 與帶有 RS 2 232 標準接口的計算機或伺服驅動(dòng)器連接時(shí) , 需要配套選用 S7 2 200 PLC的 PC/PPI 轉換電纜或一個(gè) RS 2 232/RS 2 485 轉換器[ 7 ]。

4. 2　PLC與伺服系統通信

4. 2. 1 　報文構成

S7 2 200 PLC 在無(wú)協(xié)議通信方式工作時(shí) , 不需要任何通信協(xié)議 , 通信參數需要根據與其進(jìn)行通信的伺服驅動(dòng)器的通信格式進(jìn)行設定。本伺服系統選用的 Xe 2nus 伺服驅動(dòng)器可通過(guò) RS 2 232 與 PLC 利用 ASC II 碼進(jìn)行通信 , 其 ASCII 碼消息命令格式如下 :

< 命令代碼 > < 命令具體參數 > < CR >其中 : < 命令代碼 > 為一個(gè)單字母代碼 ; < 命令具體參數 > 表示電機所要執行的任務(wù) ; < CR > 為一個(gè)回車(chē)返回字符 , 表示命令結束 。如 : s r0x24 21 < CR > 表示設置伺服控制器工作在可編程控制模式 。

5 　三種控制方式的分析比較

上文分別從硬件結構與軟件編程等方面 , 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果的角度作如下分析比較 。

①軟件編程

脈沖串輸出方式可以輕松實(shí)現一些簡(jiǎn)單的位置與速度控制 , 具有硬件要求簡(jiǎn)單、可取代 EM253 并節省系統硬件配置等功能。 但在編寫(xiě)較為復雜的運動(dòng)程序時(shí)( 如絕對運動(dòng)需要確定電機運動(dòng)的原點(diǎn)位置) ,由于步驟繁瑣 , 故不能采用該方法加以實(shí)現。

②控制精度

高速脈沖輸出方式和 EM253 位置控制方式均屬于開(kāi)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動(dòng)器出現故障時(shí) , PLC 或 EM253 都沒(méi)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)送命令結束時(shí) , 伺服驅動(dòng)器均會(huì )對發(fā)送的命令做出應答 。

③位置控制結果

伺服電機的速度等于 PLC 或 EM253 的輸出脈沖頻率 / 電機每轉一圈發(fā)送的脈沖數 , 或直接通過(guò) RS 2 232 串口發(fā) 送 ASCII 碼 控 制。由 于 S7 2 200 系 列 PLC ( 除CPU224XP) 高速脈沖輸出口的最高頻率為20kHz, EM253的最高輸出頻率為 200kHz, RS 2 232 串口通信控制方式則是發(fā)送 ASCII 碼設定運動(dòng)速度。 因此 , 對于要求高速運動(dòng) , 或高控制精度的伺服驅動(dòng)器系統 , RS 2 232 串口通信控制方式最優(yōu) , 而高速脈沖輸出方式則不能滿(mǎn)足要求。

采用高速脈沖輸出控制和 EM253 位置控制方式時(shí) , 伺服驅動(dòng)器工作在脈沖 + 方向模式下 , 而處于通信控制方式時(shí) , 伺服驅動(dòng)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實(shí)際狀況實(shí)時(shí)更改伺服電機運動(dòng)速度與目標位置 , EM253 位置控制方式只能在手動(dòng)模式下實(shí)時(shí)更改速度 , 采用通信控制方式時(shí) , 當伺服驅動(dòng)器設置電機在可編程位置控制模式下運動(dòng)時(shí) ,可通過(guò) RS 2 232 串口發(fā)送 ASCII 碼命令 , 實(shí)時(shí)更改速度和目標位置。

6 　結束語(yǔ)

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(jiǎn)單位置控制中 , 從而節省硬件資源 。 EM253 位置控制方式編程簡(jiǎn)單 , 它支持高速脈沖輸出 、支持線(xiàn)性的加減速功能 、提供可組態(tài)的測量系統 , 可以使用工程單位如毫米 , 支持絕對 、相對和手動(dòng)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制方式中最具優(yōu)勢 , 它支持閉環(huán)控制 , 可實(shí)時(shí)調節速度 、位置等 ; 但由于伺服驅動(dòng)器型號的不同 , 所以并不是所有的伺服驅動(dòng)器都支持串口通信方式 。

在實(shí)際應用中 , 將 EM253 位置控制方式應用于注塑機注氣系統中 , 經(jīng)過(guò)反復實(shí)驗 , 可實(shí)現手動(dòng)控制、 半自動(dòng)控制 、全自動(dòng)控制等三種控制方式 , 編程簡(jiǎn)單。觸摸屏操作界面簡(jiǎn)潔、操作靈活、工作可靠穩定。經(jīng)過(guò)詳細介紹與分析比較 , 三種位置控制方式各有優(yōu)缺點(diǎn) , 各有其自身所適合的應用場(chǎng)合 , 這為今后類(lèi)似的位置控制提供了一定的參考價(jià)值。