伺服電機(jī)位置控制中的應(yīng)用

0 　引言

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

1 　基本控制系統(tǒng)

伺服系統(tǒng)分為液壓伺服系統(tǒng)、 電氣 - 液壓伺服系統(tǒng)以及電氣伺服系統(tǒng)[ 1 ]。本文主要討論了電氣伺服系統(tǒng)中的交流伺服系統(tǒng) , 其基本組成為交流伺服電機(jī)、 編碼器和伺服驅(qū)動(dòng)器。 交流伺服系統(tǒng)的工作原理是伺服驅(qū)動(dòng)器發(fā)送運(yùn)動(dòng)命令 , 驅(qū)動(dòng)伺服電機(jī)運(yùn)動(dòng) , 并接收來自編碼器的反饋信號 , 然后重新計(jì)算伺服電機(jī)運(yùn)動(dòng)目標(biāo)位置 , 從而達(dá)到精確控制伺服電機(jī)運(yùn)動(dòng)。

本伺服系統(tǒng)中選用 Exlar 公司生產(chǎn)的 GSX50 2 0601型伺服直線電動(dòng)缸。 該電動(dòng)缸由普通伺服電機(jī)和一個(gè)行星滾珠絲杠組成 , 用來實(shí)現(xiàn)將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)橹本€運(yùn)動(dòng)。此外 , 選用 Xenus 公司生產(chǎn)的 XenusTM型伺服驅(qū)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(xiàn)位置控制。

一般來說 , 一個(gè)伺服系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)需要配置一個(gè)上位機(jī) , 所以本系統(tǒng)采用西門子 S7 2 200 PLC 作為上位機(jī)控制器。 通過高速脈沖輸出、 EM253 位置控制模塊、 自由口通信三種方式控制伺服電機(jī)運(yùn)動(dòng)。

2 　高速脈沖輸出模式

西門子 CPU224XP 配置兩個(gè)內(nèi)置脈沖發(fā)生器 , 它有脈沖串輸出 ( PTO) 和脈沖寬度調(diào)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(jī)或伺服電機(jī)的速度和位置的控制。

2. 1　硬件構(gòu)成

圖 1 為高速脈沖輸出方式的位置控制原理圖。 控制過程中 , 將伺服驅(qū)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(jī)的轉(zhuǎn)速和目標(biāo)位置 ;Q 0. 1 發(fā)送方向信號 , 控制電機(jī)的運(yùn)動(dòng)方向。伺服電動(dòng)缸上帶有左限位開關(guān) L I M - 、右限位開關(guān) L I M + 以及參考點(diǎn)位置開關(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 , 可通過軟件編程 , 實(shí)現(xiàn)限位和找尋參考點(diǎn)。

2. 2　程序設(shè)計(jì)

高速脈沖串輸出( PTO ) 可以通過 Step 7 2 M icro /W IN 的位置控制向?qū)нM(jìn)行組態(tài) , 也可通過軟件編程實(shí)現(xiàn)控制[ 2 ]。 PTO 輸出方式?jīng)]有專門的位置控制指令 ,只有一條脈沖串輸出指令 , 而且在脈沖發(fā)送過程中不能停止 , 也不能修改參數(shù) 。為解決以上問題 , 可以設(shè)置脈沖計(jì)數(shù)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 PTO 模式輸出 , 可以控制脈沖的周期和個(gè)數(shù) ; 通過啟用高速計(jì)數(shù)器 HSC, 對輸出脈沖進(jìn)行實(shí)時(shí)計(jì)數(shù)和定位控制 , 以控制伺服電機(jī)的運(yùn)動(dòng)過程。

3 　 EM253 位置控制模塊

EM253 位置控制模塊是西門子 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(jī)與伺服電機(jī)的速度和位置的開環(huán)控制[ 4]。3. 1　硬件構(gòu)成如圖 3 所示為 EM253 位置控制原理圖 , 定義伺服驅(qū)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(cuò)誤 ,L I M - 、 L I M + 、 REF 分別為電機(jī)左限位、 右限位以及參考點(diǎn)。

3. 2　程序設(shè)計(jì)

EM253 位置控制模塊可以通過 Step 7 2 M icro /W IN進(jìn)行向?qū)渲?, 配置完成后系統(tǒng)將自動(dòng)生成子程序 , 編程簡單、可輕松實(shí)現(xiàn)手動(dòng)、自動(dòng)、軌跡運(yùn)行模式[ 4 ]。由于EM253 屬于開環(huán)控制 , 不能很好地反饋電機(jī)實(shí)際運(yùn)動(dòng)情況。因此 , 利用伺服驅(qū)動(dòng)器本身的差分輸出信號 , 通過伺服驅(qū)動(dòng)器軟件設(shè)置 , 反饋給 PLC, 實(shí)現(xiàn)閉環(huán)位置控制。但由于直線伺服電動(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(zhuǎn)化以及降低伺服驅(qū)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(jī)的實(shí)際運(yùn)轉(zhuǎn)位置與運(yùn)轉(zhuǎn)速度 , 其脈沖計(jì)數(shù)程序如下。

4 　 RS 2 232 串口通信方式

4. 1　硬件構(gòu)成

西門子 CPU224XP 支持無協(xié)議通信 , 即用戶僅需要對數(shù)據(jù)格式、傳輸速率、起始 / 停止碼等進(jìn)行簡單設(shè)定 , PLC與外部設(shè)備間就可進(jìn)行直接數(shù)據(jù)發(fā)送與接收的一種通信方式[4, 6]。伺服系統(tǒng)和 PLC 分別作為系統(tǒng)的主從站。 PLC控制器通過該通信功能可實(shí)現(xiàn)對伺服驅(qū)動(dòng)器進(jìn)行運(yùn)行控制、參數(shù)讀取、伺服驅(qū)動(dòng)器當(dāng)前運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的讀取等操作。

當(dāng) S7 2 200 系列 PLC 工作在自由口通信模式下時(shí) ,一般通過 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(guī)范 , 其接口為 RS 2 485 串口 , 因此 ,當(dāng) S7 2 200 系列 PLC 的 CPU 與帶有 RS 2 232 標(biāo)準(zhǔn)接口的計(jì)算機(jī)或伺服驅(qū)動(dòng)器連接時(shí) , 需要配套選用 S7 2 200 PLC的 PC/PPI 轉(zhuǎn)換電纜或一個(gè) RS 2 232/RS 2 485 轉(zhuǎn)換器[ 7 ]。

4. 2　PLC與伺服系統(tǒng)通信

4. 2. 1 　報(bào)文構(gòu)成

S7 2 200 PLC 在無協(xié)議通信方式工作時(shí) , 不需要任何通信協(xié)議 , 通信參數(shù)需要根據(jù)與其進(jìn)行通信的伺服驅(qū)動(dòng)器的通信格式進(jìn)行設(shè)定。本伺服系統(tǒng)選用的 Xe 2nus 伺服驅(qū)動(dòng)器可通過 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(shù) > < CR >其中 : < 命令代碼 > 為一個(gè)單字母代碼 ; < 命令具體參數(shù) > 表示電機(jī)所要執(zhí)行的任務(wù) ; < CR > 為一個(gè)回車返回字符 , 表示命令結(jié)束 。如 : s r0x24 21 < CR > 表示設(shè)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(jié)構(gòu)與軟件編程等方面 , 詳細(xì)介紹了三種伺服電機(jī)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(jié)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(xiàn)一些簡單的位置與速度控制 , 具有硬件要求簡單、可取代 EM253 并節(jié)省系統(tǒng)硬件配置等功能。 但在編寫較為復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)程序時(shí)( 如絕對運(yùn)動(dòng)需要確定電機(jī)運(yùn)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(xiàn)。

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環(huán)位置控制 , 它們只負(fù)責(zé)發(fā)送脈沖 , 但當(dāng)伺服電機(jī)或伺服驅(qū)動(dòng)器出現(xiàn)故障時(shí) , PLC 或 EM253 都沒得到相應(yīng)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(jié)束時(shí) , 伺服驅(qū)動(dòng)器均會對發(fā)送的命令做出應(yīng)答 。

③位置控制結(jié)果

伺服電機(jī)的速度等于 PLC 或 EM253 的輸出脈沖頻率 / 電機(jī)每轉(zhuǎn)一圈發(fā)送的脈沖數(shù) , 或直接通過 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(shè)定運(yùn)動(dòng)速度。 因此 , 對于要求高速運(yùn)動(dòng) , 或高控制精度的伺服驅(qū)動(dòng)器系統(tǒng) , 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(qū)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(qū)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(jù)實(shí)際狀況實(shí)時(shí)更改伺服電機(jī)運(yùn)動(dòng)速度與目標(biāo)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(dāng)伺服驅(qū)動(dòng)器設(shè)置電機(jī)在可編程位置控制模式下運(yùn)動(dòng)時(shí) ,可通過 RS 2 232 串口發(fā)送 ASCII 碼命令 , 實(shí)時(shí)更改速度和目標(biāo)位置。

6 　結(jié)束語

高速脈沖輸出方式主要應(yīng)用于對速度及位置控制精度要求均不高的簡單位置控制中 , 從而節(jié)省硬件資源 。 EM253 位置控制方式編程簡單 , 它支持高速脈沖輸出 、支持線性的加減速功能 、提供可組態(tài)的測量系統(tǒng) , 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(xù)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(diào)節(jié)速度 、位置等 ; 但由于伺服驅(qū)動(dòng)器型號的不同 , 所以并不是所有的伺服驅(qū)動(dòng)器都支持串口通信方式 。

在實(shí)際應(yīng)用中 , 將 EM253 位置控制方式應(yīng)用于注塑機(jī)注氣系統(tǒng)中 , 經(jīng)過反復(fù)實(shí)驗(yàn) , 可實(shí)現(xiàn)手動(dòng)控制、 半自動(dòng)控制 、全自動(dòng)控制等三種控制方式 , 編程簡單。觸摸屏操作界面簡潔、操作靈活、工作可靠穩(wěn)定。經(jīng)過詳細(xì)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(yīng)用場合 , 這為今后類似的位置控制提供了一定的參考價(jià)值。