2017-03-14 14:20:13

在自動化生產、加工和控製過程中,經常要對加工工件的尺寸或機械設備移動的距離進行準確定位控製。這種定位控製僅僅要求控製對象按指令進入指定的位置,對運動的速度無特殊要求,例如生產過程中的點位控製(比較典型的如臥式鏜床、坐標鏜床、數控機床等在切削加工前刀具的定位),倉儲係統中對傳送帶的定位控製,機械手的軸定位控製等等。在定位控製係統中常使用交流異步電機或步進電機等伺服電機作為驅動或控製元件。實現定位控製的關鍵則是對伺服電機的控製。由於可編程控製器(PLC)是專為在工業環境下應用而設計的一種工業控製計算機,具有抗幹擾能力強、可靠性極高、體積小等顯著優點,是實現機電一體化的理想控製裝置。本文旨在闡述利用PLC控製伺服電機實現準確定位的方法,介紹控製係統在設計與實施中需要認識與解決的若幹問題,給出了控製係統參考方案及軟硬件結構的設計思路,對於工業生產中定位控製的實現具有較高的實用與參考價值。

  1 利用PLC的高速計數器指令和旋轉編碼器控製三相交流異步電機實現的準確定位

  1.1 係統工作原理

  PLC的高速計數器指令和編碼器的配合使用,在現代工業生產自動控製中可實現精確定位和測量長度。目前,大多數PLC都具有高速計數器功能,例如西門子S7-200係列CPU226型PLC有6個高速計數器。高速計數器可以對脈寬小於PLC主機掃描周期的高速脈衝準確計數,不需要增加特殊功能單元就可以處理頻率高達幾十或上百kHz的脈衝信號。旋轉編碼器則可以將電動機軸上的角位移轉換成脈衝值。

  利用PLC的高速計數器指令和編碼器控製三相交流異步電機實現的準確定位控製係統,其原理是通過與電動機同軸相連的光電旋轉編碼器將電機角位移轉換成脈衝值,經由PLC的高速計數器來統計編碼器發出的脈衝個數,從而實現定位控製。

  1.2 設計與實施

  以對傳輸帶的定位控製設計為例加以說明。現需要用傳輸帶運送貨物,從貨物運送起點到指定位置(終點)的距離為10 cm。現要求當傳輸帶上的貨物運行10 cm後,傳輸帶電機停止運行。該係統硬件設置主要包括西門子S7-200CPU226型PLC、傳輸帶電機(三相交流異步電機)、OMRON的E6A2-CW5W光電旋轉編碼器、鬆下VFO係列BFV00042GK變頻器等。該係統的工作原理是將光電編碼器的機械軸和傳動輥(由三相交流異步電機拖動)同軸相連,通過傳動輥帶動光電編碼器機械軸轉動,輸出脈衝信號,利用PLC的高速計數器指令對編碼器產生的脈衝(采用A相脈衝)個數進行計數,當高速計數器的當前值等於預置值時產生中斷,經變頻器控製電動機停止運行,從而實現傳輸帶運行距離的準確定位控製。很顯然,該控製係統中實現準確定位控製的關鍵是對PLC的高速計數器的預置值進行設置,高速計數器的預置值即為傳輸帶運行10 cm時光電編碼器產生的脈衝數。該脈衝數值與傳輸帶運行距離、光電編碼器的每轉脈衝數以及傳動輥直徑等參數有關。該脈衝數可以通過實驗測量也可通過計算得出。計算得出傳輸帶運行10 cm對應的脈衝數為:

  脈衝數=[(傳動輥直徑(mm)×π÷(脈衝數/轉)]×傳送帶運行距離(mm)

  該係統通過計算得出脈衝數為100,則高速計數器的預置值即為100。參考程序如圖1所示。

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在子程序中,將高速計數器HSC0設置為模式1,即單路脈衝輸入內部方向控製的增/減計數器。無啟動輸入,使用複位輸入。係統開始運行時,調用子程序HSC_INIT,其目的是初始化HSC0,將其控製字節SMB37數據設置為16#F8,對高速計數器寫入當前值和預置值,同時通過中斷連接指令ATCH將中斷事件12(即高速計數器的當前值等於預置值中斷)和中斷服務程序COUNT_EQ連接起來,並執行ENI指令,全局開中斷。當高速計數器的當前值等於預置值時,執行中斷服務程序,將SMD42的值清零,再次執行HSC指令重新對高速計數器寫入當前值和預置值,同時使M0.0置位,電動機停止運行。
2 利用PLC的高速脈衝指令控製步進電機實現準確定位

 

  2.1 係統工作原理

  步進電機因其具有結構簡單、控製方便、轉動慣量低、定位精度高、無累積誤差和成本低廉等優點而成為工業控製的主要執行元件,尤其是在精確定位場合中得到廣泛應用。在工業生產中,步進電機和生產機械的連接有很多種,常見的一種是步進電機和絲杠連接,將步進電機的旋轉運動轉變成工作台麵的直線運動。當需要對工作台麵移動距離進行定位控製時,隻需要控製步進電機的轉速和角位移大小即可。在非超載的情況下,步進電機的轉速和角位移隻取決於脈衝信號的頻率和脈衝數。它輸出的角位移與輸入的脈衝數成正比,轉速與脈衝頻率成正比。改變繞組通電的相序,則可以實現步進電機反轉。

  目前世界上主要的PLC廠家生產的PLC均有專門的高速脈衝輸出指令,可以很方便地和步進電機構成運動定位控製係統。由PLC高速脈衝指令控製步進電機實現準確定位的實質是PLC通過高速脈衝輸出指令PTO/PWM輸出高速脈衝信號,經步進電機脈衝細分驅動器控製步進電機的運行,從而推動工作台移動到達指定的位置,實現準確定位。工作台移動的距離與PLC脈衝數之間的關係為:

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式中:N為PLC發出的控製脈衝的個數;n為步進電機驅動器的脈衝細分數(如果步進電機驅動器有脈衝細分驅動);θ為步進電機的布距角,即步進電機每收到一個脈衝變化,軸所轉過的角度;d為絲杠的螺紋距,它決定了絲杠每轉過一圈,工作台麵前進的距離;δ為脈衝當量(定位精度);i為傳動速比;L為工作台移動的距離。

  顯然,利用PLC控製步進電機實現準確定位的關鍵是對PLC產生的脈衝數的設定。而脈衝數與脈衝當量、傳動速比、步進電機驅動器的細分數以及脈衝頻率等都有關。

  2.2 設計與實施

  以貨物倉儲係統中的對直線導軌的定位控製設計為例加以說明。在倉儲係統中,要求由步進電機拖動直線導軌將料塊送到指定的倉庫門口。假設從起點到終點的運送距離為100 mm,即要求由步進電機帶動導軌作直線運動,定位距離為100 mm。為實現準確定位,係統采用西門子S7-200係列CPU226型PLC、四通57BYG250C混合式步進電機和森創SH-20403步進電機驅動器等設備。其中CPU226型PLC的CPU有兩個脈衝發生器,分別是Q0.0端子和Q0.1端子。這兩個端子均可輸出PTO/PWM高速脈衝信,脈衝頻率可達20 kHz。根據控製要求,係統擬采用高速脈衝串輸出PTO功能,PTO功能可輸出一定脈衝個數和占空比為50%的方波信號。輸出脈衝的周期以μs或ms為增量單位。PTO功能允許多個脈衝串排隊輸出,從而形成流水線。流水線分為兩種:單段流水線和多段流水線。

  為了消除電機的低頻振蕩,提高分辨率,采用了步進電機細分驅動器,驅動步距角為0.9°/1.8°,脈衝細分數設定為4。為保證速度和定位精度要求,步進電機運行一般要經曆三個過程,即啟動加速、恒速運行和接近定位點時的減速運行。為了維護步進電機以及驅動設備,要求驅動脈衝頻率也線性增大,所以,本定位控製係統采用多管線操作,控製電機的運行過程。設直線導軌起始位置在A點,現欲從A點移至D點,其中AD=100 mm。定位精度隻與步進電機脈衝當量有關,取脈衝當量為0.11 mm/脈衝,則需要900個脈衝完成定位。步進電機運行過程中,要從A點加速到B點後恒速運行,又從C點開始減速到D點完成定位過程用200個脈衝完成升頻加速,500個脈衝恒速運行,200個脈衝完成降頻減速。如圖2所示。

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 因此確定PTO為3段脈衝管線(AB,BC,CD)。設最大脈衝頻率為1 kHz,將16#A0寫入控製字節SMB67,允許多段PTO脈衝輸出,時基為μs級,建立3段脈衝的包絡表並對各段參數分別設置,給定段的周期增量按下式計算:

  給定段的周期增量=(該段結束時的周期值-該段初始的周期值)/該段脈衝數

 這種控製方式屬於對步進電機的一種開環控製,其優點是結構簡單、成本低、定位準確、易於實現等。
2.3 控製係統在設計與實施過程中的注意事項

 

  (1)PLC類型的選擇。首先,PLC必須是可以輸出高速脈衝的晶體管輸出形式。其次,PLC輸出最高脈衝頻率大小必須滿足控製要求。

  (2)步進電機脈衝細分驅動器的選擇及參數設置。

  (3)步進電動機的選擇。首先考慮的是步進電動機的類型選擇,其次才是品種選擇,根據係統要求,確定步進電動機的電壓值、電流值以及有無定位轉矩和使用螺栓機構的定位裝置,從而就可以確定步進電動機的相數和拍數。在進行步進電動機的品種選擇時,要綜合考慮速比i、軸向力F、負載轉矩Ti、額定轉矩TN和運行頻率fy,以確定步進電機的具體規格和控製裝置。

  (4)脈衝當量的計算。

  3 利用PLC的其他方式實現的準確定位

  3.1 利用PLC的PID指令及軟、硬件配合實現準確定位

  例如在氣缸精確定位控製係統中,由PLC、電磁閥、光柵尺、氣缸組成一個閉環控製係統。其中PLC作為控製運算中心,光柵尺作為檢測裝置檢測氣缸活塞移動量,並將檢測結果通過PLC的模擬量輸入端子反饋到PLC內部,與設定值比較,並進行PID調節,PID運算結果通過PLC的繼電器輸出接口驅動交流或直流電磁閥,由電磁閥的開關改變氣缸活塞移動的流量,使氣缸準確運動到目標位置,達到準確定位的目的。

  3.2 利用PLC的EM253模塊實現的準確定位

  EM253位控模塊是S7-200的特殊功能模塊,它能夠產生脈衝串,用於步進電機和伺服電機的速度和位置開環控製。它與S7-200係列PLC通過擴展的I/O總線通訊。它帶有八個數字輸出,在I/O的組態中作為智能模塊,可提供單軸、開環移動控製所需要的功能和性能。提供高速控製,12~200 000脈衝/s。STEP7-Micro/WIN為位置控製模塊的組態和編程提供了位置控製向導,可以生成組態/包絡表和位置控製指令,配置EM253的運動參數、運動軌跡包絡等。

  4 結語

  實踐證明,本文提出的由PLC、旋轉編碼器、伺服電機等組成的準確定位控製係統具有結構簡單、性價比高、易於實現等優點,可廣泛地應用於工業生產及軍事領域。如板材的精確定長切割、軍用雷達定位係統,絲網印刷機停機控製、以及在數控機床、物料計量、送膜包裝等用異步電機或步進電機實現的定位控製領域有一定的實用和參考價值。


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