PLC控制伺服电机应用实例.docx

1、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-PP11122122 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

2、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

3、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

4、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 P4

5、1，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

6、-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

7、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

8、码器分辨率 Pr4B(Pr48 2Pr4A) 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

9、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： S7200 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。

10、L+一 PGP lML+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 NGNP 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=39KO 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

11、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 =W4P。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

12、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 s7200 系列 CPU226 作为主控制器。它是 s7200 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-422485 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010V5V、020mA 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 ACDCDC(交流供电，直流 I/O)类型 P

13、LC 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 Qo0、Qo1 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-MicroWin 32 中的 PID 向导程

14、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： Use

15、tuf0，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 SM01 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42 中断程序 NETWORK 1 LD SM00 SM0 0=1 每个扫描周期都有效 I CW V V

16、W450 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 RPSXORW VW464，VW464 清除工作区域 M0VW ArW0VW466 读取模拟数值 A V4667 M0VW 16#FFFFVW464 检查符号位，若为负则扩展符号 LRD DTR VD464VD396 将其转化成实数并装载人 PV LPP R 320000，VD396 正常化至 0 0 至

17、10 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 SM00 M0vR VD404VD464 装载 PID 输出至工作区 +R VD400，VD464 *R 10000. VIM64 缩放数值TRUNC VD464,VD464 将数值转化成整数 MOVW VW 466VW 1000 VW1000 为 PLC 输出脉冲周期 NETWORK 8 伺服电机右反转控制(PWM) SMW6878 lIFO 周期值 SMW7080 PWM

18、脉冲宽度 SMD72 82 lIFO 脉冲计数值 LD SM00 MOVB 16# D3SMB77 输出脉冲周期为 500 微秒 MOVW VW 1000，SMW 78 MOVW VW 1000VW1 1 18 I +2VWl118 MOVW VW 1118SMW 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

19、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

20、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

21、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

22、 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：