基于伺服电机和PLC的工作台运动控制.pdf

第 4 期 总第 1 7 3期 2 0 1 2年 8月 机 械 工 程 与自 动 化 MECHANI CAL ENGI NEERI NG ＆ AUT0MATI N NO． 4 Aug． 文章 编号 1 6 7 2 6 4 1 3 2 0 1 2 0 4 - 0 1 2 6 0 3 基于伺服电机和 P L C的工作 台运动控制弗 刘媛媛 ，张如 萍 ，张正和 ，唐 亮 无锡科 技职业学院，江苏 无锡 2 1 4 0 2 8 摘要 以西 门子 S 7 2 0 0 P L C作为控制器 。控 制伺 服 电机 带动 丝杠 螺母副运 动，从 而实现 工作 台的运 动控 制。通过合理 的系统软硬件设计和控制工艺设计，利用伺服 电机的高控制精度和滚珠丝杠螺母副的高传动精 度 。保证工作 台高精度 的运动控制。 关键 词 P L C；伺服电机；驱动器；工作 台 中图分类号 T P 2 7 3 T M3 8 3 ． 4 文献标识码 A 1工作 台控 制 系统 构成 工作 台运动控制系统构成如图 1所示。其中 ， 电 机为安川 ∑系列 s GMA5 A3 1 2伺服电机 ， 与之配套 的伺 服驱 动器 为 S GDAA5 AP ， 电机输 出 功率 为 5 O w ， 供 电电源为 AC 2 0 0 V～AC 2 3 0 V， 自带增量式编 码器 ， 分辨率为 2 0 4 8 P ／ R。可编程控制器采用西 门 子 S 7 2 0 0系列 C P U2 2 4 D C ／ D C ／ D C， 带 有两个 2 0 k Hz 高速脉冲输 出及 6路高速计数 。滚珠丝杠螺母 副为 日本 AHK 系列 ， 丝杠导程为 5 mm， 行 程为 1 6 0 mm。行程限位采用 GX L一8 F U 电感式接近开关 ， 感 应距 离 为 0 mm～ 1 ． 8 mm。 图 1工 作 台控 制 系统 构 成 图 2 总 体设 计方 案 工作台的运动控制 主要为位移和速度控制 ， 位移 控制的起始零点通过接近开关定位， 启动工作 台控制 系统时首先进行归零点定位 ， 指定 的位移量都 以此零 点为基准 ； 电机速度控制通过 给定脉冲信号的频率 F 来实现， 工作台移动 的速度取决 于指令脉 冲数 N、 脉 冲信号频率 F和丝杠导程 L。 工作台的零点定位和超程限位由高精度 电感式接 近开关实现 ， 为保证安全 ， 超程限位采用两个近距离排 列 的接 近 开 关 1 B 2和 1 B 3实 现 ； 为 保 证 机 械 传 动 精 度 ， 采用滚珠丝杠螺母副和滑动导轨 ， 并要保证其装配 精度 ， 伺服电机转轴与丝杠通过联轴器连接 ； 电气控制 系统和机械传动组件安装在 同一个金属板上， 并设 有 必要的保护措施 。 3硬 件控 制 电路设计 3 ． 1 伺服 电机 和驱 动 器的接 线 安川 S GD A伺服驱动器 由供 电电源 、 1 C N、 2 C N、 操作器和电机电源接口 5 个 主要部分组成 。供 电电源 接 口接 2 2 0 V交流电， 并带有必要的保护和滤波电路； 1 C N 接 口和上位 控制 器 相连 以 实现 电机 的运 动控 制 ； 2 C N 接 口和编码 器相 连 ， 从 而 构 成 伺服 电机 的半 闭环 控制； 操作器接 口用于设定驱动器内部参数， 如电子齿 轮 比、 电机运行方式等 ； 电机电源接 口给伺服电机提供 一 定频率的脉冲信号 ， 从 而带动电机转动 。伺服电机 和驱动器的接线图如图 2所示 。 1 C N共有 3 6个引脚 ， 对于位移控制来说并 不是 每个引脚都要用到， 几个常用引脚 的含义见表 1 。在 完成伺服驱动器内部参数设置后 ， 各引脚和接线便 可 确 定 。 中间继电器 KAl 接在报警电路中， 当电机正常工 作 时 1 C N一3 4 、 1 C N一3 5引 脚 间 为通 路 ， KA1线 圈 得 电； 当有故障报警时 1 C N一3 4 、 1 C N一3 5引脚 间断开， KAl 线圈失 电。设置驱动器 参数允许正转 侧驱动禁 止， 当工作台靠近行程 限位 I B 2时 ， 中间继 电器 KA2 得电， 从而断开 1 C N一1 6引脚电路 ， 禁止 电机正转 。 |I}2 0 1 1年江苏省 高等学校 大学生实践创新训练计划项 目 收 稿 日期 ；2 0 1 2 0 2 2 2 }修回 日期2 0 1 2 0 3 2 5 作者简介 ；刘嫒嫒 1 9 8 3 - ，女 。山东滨州人 ，讲 师，硕士 ，研究方向 机电一体化技 术。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2 0 1 2年 第 4 期 刘媛媛 。 等 基于伺服 电机和 P L C的工作 台运动控制 1 2 7 3 ． 2可编程 控 制 器的接 线 可编程控制 器输入输 出为直 流信号 ， 利用 QO ． 0 输 出 口产 生 高 速 脉 冲信 号 ， 并 连接 到 伺 服 驱 动 器 1 C N一1引脚 ， QO ．1作 为 方 向控 制 信 号 接 驱 动 器 l C N一3引脚 。在接线时由于 P L C输 出为 D C 2 4 V信 号 ， 为保证电流在额定值以内， 需在输 出电路上 串接 2 k l 2电阻。接近开关 1 B 1作为零点定位接 到 1 0 ． 0 ， 行 程限位 1 B 2 、 1 B 3 分别接到 I O ． 1和 1 0 ． 2 。当电机发生 故障报警时， KA1 线圈失 电， Q O ． 3有输出， KA3线 圈 得电 ， 从而断开伺服驱 动器 ， 使 电源 电路起 到保护作 用 。利用 P L C的高速计数器 HS C 4对伺服 电机编码 器反馈位移量进行计数， 编码器为 A、 B相增量式编码 器 ， 输出电压 5 V， 经过光电耦 合 电路提高输 出 A、 B 相时钟信号 电压使 之大于 1 2 V， 然后接到 P L C输入 点 I O ． 3 、 I O ． 4 。P L C的接线如图 3 所示 。 图 Z伺服 电机和驱动器 的接线 图 表 l 驱动器 l C N常用 引脚含 义 V 引脚号 含义 1 CN一1 脉冲输 入 P UL E 1 CN一2 脉冲输入 *P UL E 1 C N一3 方向输入 S I GN 1 C N一4 方向输入 *S I GN 1 C N一1 3 外部电源输 入 2 4 VD C 1 C N一1 4 伺服 ON 1 C N一1 6 正转侧驱动禁止 1 C N一1 7 反转侧驱动禁止 1 C N一2 0 A相脉冲输出 P AO 1 C N一2 1 A相脉冲输出 *P A O 1 C N一2 2 B相脉冲输出 P B O 1 C NZ 3 B相脉冲输出 *P B O 1 C N一3 4 伺服报警输 出 1 C N一3 5 伺服报警输 出接地 程序编写下载好之后 ， 将维纶触摸屏 串口数据线 接到 P L C串 口上， 实现 P L C和 HMI的通信 。 4 驱 动器 参数 设置 几个 重 要 的 伺 服 驱 动 器 参 数 设 置 如 下 c a一 0 1 b i t O 0 ， c n -- 0 1 b i t 2 0， c n --0 1 b i t 3 1 ； c n -- 0 2 b i t O 0， c a一 0 2b i t 3，4，5 0 0 0； c a一 2 4 81 9 2，c a一 2 5 5 0 0 0 ； 电子 齿 轮 比 c n 一2 4 ／ c n 一 2 5 ， c n 一2 4 一编 码 器 脉冲数 4 ， c n --2 5 负载轴每旋转一圈的负载移动量所 对应 的脉冲数 ， 因丝杠 导程为 5 ln l n ， c n --2 5 5 0 0 0 ， 则 驱 动器每接收到一个指令脉冲负载移动量为 1 m。 0 2 图 3 P L C 接 线 图 5 P L C软件 程序 设计 系统 控制 流程 图如 图 4 所 示 。 厂莉吾 _ ] 芝 是 否 三 ＼／ N l Y t 停止脉 冲输 出子程 序，开 定时 中断 、 脉冲输 出中断及超 程 限位 中断 否等于设定值， 一 当前值 设定值I f 当前值VD1 0 4， VD2 0 0 C AL L正向输 出脉 冲子程序 6 网络 6电机 反转 LDN M 1 ． 1 ADVD1 0 4， VD2 0 0 C AL L反向输 出脉 冲子程序 6结 语 利用伺服电机 和 P L C搭建的工作 台运 动控制 系 统 ， 集中应用 了机 电领域 中 P L C 、 电机 、 传感器、 HMI 及机械传动零部件等知识 ， 通过合理的设计 、 组装和调 试达到了预期的控制效果， 可用于机 电一体化实践教 学， 也具有一定的市场推广潜力 。 M o t i o n Co nt r o l o f W o r k i n g Ta bl e b y S e r v o M o t o r a nd PLC LI U Yua n - yu a n，ZHANG Ru ‘ p i n g，ZHANG Zhe ng - he TANG Li a ng W u xi Pr o f e s s i o n a l Co l l e g e o f S c i e n c e a n d Te c h no l o g y，W u x i 21 4 0 2 8，Ch i n a Ab s t r a c t Th e mo t i o n o f a s c r e w- n u t p a i r i s d r i v e n b y t h e s e r v o mo t o r wh i c h i s c o n t r o l l e d b y S i e me n s s 7 - 2 0 0 P LC，a n d f i n a l l y t h e mo t i o n c o n t r o l o f t h e wo r k i n g t a b l e i s a c h i e v e d ．Th r o u g h t h e r a t i o n a l d e s i g n o f h a r d wa r e 。s o f t wa r e a n d c o n t r o l t e c h n o l o g y，b y u s e o f t h e h i g h p r e c i s i o n c o n t r o l o f s e r v o mo t o r a n d t h e h i g h t r a n s mi s s i o n a c c u r a c y o f b a l l s c r e w- n u t 。t h e h i g h - p r e c i s i o n mo t i o n c o n t r o l o f t h e t a b l e i S e n s u r e d ． Ke y wo r d s P LC；s e r v o mo t o r ；a c t u a t o r ；wo r k i n g t a b l e 【 上接第 1 2 5页 参考文献 [ 1 ] 王德斌． 运动控制系统及其在机床数控化改造中的应用 与研究 [ D 3 ． 上海 上海交通大学 。 2 0 0 8 3 7 3 7 ． 1- 2 3 李琳 ． 数控机床交流伺服控 制 系统的设 计与 仿真 [ D ] ． 宜 昌； 三峡大学 ， 2 0 0 6 3 9 - 3 9 ． [ 3 3 Ta n g K Z 。Hu a n g S N。T a n K K ．C o mb i n e d P I D a n d a d a p t i v e n o n l i n e a r c o n t r o l f o r s e r v o me c h a n i c a l s y s t e m [ J ] ．Me c h a t r o n i c s ． 2 0 0 4 1 7 0 卜7 1 4 ． [ 4 ] 苏玉鑫， 段宝岩． 一种新型非线性 P I D控制器[ J ] ． 控制与 决策 ． 2 0 0 3 1 8 1 1 2 6 一 i 2 8 ． [ 6 3 徐海青． 一种基 于非线性 P I D加前馈 控制 控制方 法 的仿 真研究[ D ] ． 合肥 合肥工业大学， 2 0 0 4 3 1 3 5 ． [ 6 3 王德斌． 交 流伺服 进给 系统及其 数学 模型 的研究 [ J ] ． 电 气技术与 自动化 ， 2 0 0 6 1 8 6 - 8 8 ． [ 7 3 周琼 ， 褚健 ， 高峰． 一种非 线性 P I D控制 器的设 计 与整定 [ J - 1 ． 控制系统 ， 1 9 9 7 3 4 6 - 4 8 ． [ 8 ] 滕青芳． 基于 N C D工具箱的非线性系统 P I D控制器优化 设计[ J ] ． 电气传动 自动化 ． 2 0 0 2 。 2 4 3 3 2 3 4 ． De s i g n o f No nl i n e a r PI D Co n t r o l l e r f o r Po s i t i o n Co nt r o l o f CNC M a c hi ne To o l S HEN Yo n g 。ZHAO Gu o - y o n g ，AN Ho n g - j l n g S c h o ol o f M e c h a n i c a l En gine e r i n g，S h a n d o n g Un i v e r s i t y o f Te c hn o l o gy，Zi b o 2 5 5 0 4 9，Ch i n a Ab s t r a c t Th e p o s i t i o n c o n t r o l a l g o r i t h m p l a y s a n i mp o r t a n t r o l e o n t h e r a p i d i t y ，a c c u r a c y a n d s t a b i l i t y o f CNC ma c h i n e t o o 1 ．Th e t r a d i t i o n a l PI D c o n t r o l l e r i S wi d e l y u s e d i n p o s i t i o n c o n t r o l o f CNC ma c h i n e t o o l 。b u t s t i l l wi t h ma n y p r o b l e ms ． On t h e b a s i s o f a n a l y z i n g t h e t h e o r y a n d s h o r t a g e o f t h e t r a d i t i o n a l P I D c o n t r o l l e r 。a n o n l i n e a r PI D c o n t r o l l e r i s d e s i g n e d b y u s i n g t h e wa r p e a s p a r a me t e r c o r r e c t i o n ．S i mu l a t i o n s o f t h e t wo - o r d e r a n d t h e t h r e e - o r d e r CNC s e r v o f e e d i n g s y s t e ms p r o v e t h a t t h i s n o n l i n e a r PI D c o n t r o l l e r h a s b e t t e r c o n t r o l p e r f o r ma n c e t h a n t h e t r a d i t i o n a l o n e ． Ke y wo r d s CNC ma c h i n e t O O l ；p o s i t i o n c o n t r o l ；n o n - l i n e a r P I D c o n t r o l l e r ；n o n - l i n e a r f u n c t i o n 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m