基于PLC的位置闭环伺服控制在大行程定位中的应用.pdf

第 8期 2 0 1 2年 8月 组 合 机 床 与 自 动 化 加 工 技 术 M o d ul ar M a c hi n e Too l Au t o ma t i c M a nu f a c t ur i ng Te c h ni q ue NO ． 8 Au g．2 01 2 文章编 号 1 0 0 1 2 2 6 5 2 0 1 2 0 8 0 0 7 8 0 3 基于 P L C的位置闭环伺服控制在大行程定位中的应用 黎 冠 ， l、 祥丽 ， 马 婕。 ， 耿 少明 1 ． 华北科 技 学院 电信 学院 ， 北京 1 0 1 6 0 1 ； 2 ． 华北科 技 学院 机 电学院 ， 北京 1 0 1 6 0 1 ； 3 ． 华北科 技 学 院 ， 北 京 1 0 1 6 0 1 摘要 针对 工业 生产 中一 些大行 程 、 高精度 定位控 制要 求 ， 提 出基 于带 型磁栅 尺和 P L C的位 置 闭环控 制 系统 。采 用西 门子 S 7 2 0 0 P L C ， 实 时捕 捉磁 栅 尺 的 高速 脉 冲 ， 实现 了大行 程 位 置 闭环 自动 定 位控 制 ， 并应 用 于塑钢型 材锯切 中心控制 系统 ， 以较 低 的成本 ， 解决 了传 统 步进 电机 开环 控 制 带来 的精 度 问题 ， 大大 降低 了精 确 定位控 制 门槛 ， 具 有很 强的 实际应 用价值 。 关键 词 P L C； 磁 栅 尺 ； 位 置 闭环 中图分类 号 T P 2 3 文献标 识码 A Po s i t i o n Cl o s e d l o o p S e r v o Co n t r o l Ba s e d on PLC i n t h e La r g e Tr a v e l Po s i t i o ni ng LI Gu a n ，BU Xi a ng l i ，MA J i e ，GENG S h a o mi ng 1 ． S c h o o l o f E l e c t r i c a l E n g i n e e r i n g No r t h Ch i n a I n s t i t u t e o f S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y B e i j i n g 1 0 1 6 0 1 ，Ch i n a ； 2 ． S c h o o l o f Me c h a n i c a l E n g i n e e r i n g N o a h C h i n a I n s t i t u t e o f S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y B e i j i n g 1 0 1 6 0 1 ， C h i n a Abs t r a c t I n t h i s p a p e r ，f o c u s o n t h e r e q u i r e me n t s o f l a r g e t r a v e l ，hi g h a c c u r a c y p o s i t i o n i n g c o n t r o l ，a po s i t i on c l o s e d l o o p p os i t i o n i n g c o n t r o l s ys t e m i s p r o p os e d ba s e d o n ma g n e t i c r a i l i n g s r u l e r a n d P LC．Us i n g h i g h s p e e d c o u n t e r i n s t r u c t i o n，c a p t u r e t h e h i g h s p e e d p ul s e s o f ma g n e t i c r a i l i n g s ru l e r i n r e a l t i me t o r e a l i z e l a r g e t r a v e l a u t o ma t i c po s i t i o n i n g c o n t r o 1 ．Th i s me t ho d h a s b e e n a p p l i e d t o t h e s a wi n g c e n t e r o f PVC p r o fil e c u t t i n g．Th e a c c u r a c y p r o b l e ms o f s t e p p i n g mo t o r o p e n l o o p c o n t r o l i n p o s i t i o n i n g c o n t r o l s y s t e m a r e s o l v e d wi t h l o we r c o s t ，g r e a t l y r e d u c e d t h e t e c h n o l o g y t h r e s h o l d，a n d h a s a s t r o n g p r a c t i c a l v a l u e ． Ke y wo r ds P LC；ma g n e t i c r a i l i n g s r u l e r；p o s i t i o n c l o s e d l o o p 0 引言 在 丁业生 产过 程 中 ， 经 常 遇 到大 行 程 、 高 精度 的 运 动控 制要求 。定 位 控制 系 统 的 主要 任务 是 精确 控 制 刀具 或物 料 的移 动完 成 对各 个 定位 点 的加 工 。如 果 采用 全功 能 数 控 系 统 来 实 现 定 位 控 制 功 能 ， 这 种 系统虽 然功 能完 善 ， 但其 价 格 昂 贵 ， 而 且 许 多功 能 对 于 中低 端机 床 的定 位控 制 是 多余 的。 目前 中 国 国 内 广 泛使 用 的是 利用 P L C或 专用 控制 器控 制 步进 电机 或 伺服 电机 实现 定 位 控制 。 。伺 服 电 机精 度 高 ， 成 本也 高 。步进 电机 伺 服 系统 一 般 都 为 开 环控 制 ， 当 启 动频 率 过高 或 负 载 转 矩 过 大 时 ， 易 出现 丢 步 或 堵 转 的现象 ； 在 停 止 时 也 会 因为 转 速 过 高 出现 过 冲 的 现象 ， 因此 为 保 证 其 控 制 精 度 ， 应 处 理 好 步 进 电 机 升 、 降速 问题 。针 对 步 进 电机 控 制 中 丢 步 或 失 控 的 情 况 ， 文献 [ 4 ] 采用 给步 进 电机安装 编码 器 ， 解决丢步 或失控 问题 ， 取得 了一 定的效 果 ； 文 献 [ 5 ] 通 过优 化步 进 电机升 降速曲线 来改 善步 进 电机 的动态 性能 ； 文献 [ 6 ] 设计具有失步补偿 的步进 电机驱 动器 ； 文 献 [ 7 ] 采 用光栅 尺 ， 实现 了较高 的精 度 ， 但 成本 较高 ， 主要 应用 于较短距 离 的精 密定 位 控制 。 当进 行很 大 行 程 定 位 时 ， 无法 消除传动机构带来 的 固有误差 。 通过 上述 的分 析 ， 提 出采 用 带 型 磁 栅 尺 位 移 传 感 器 ， 将 工件 位移转 换 成 高速 脉 冲信 号 ， 实 时 反 馈 给 P L C， 构 成位 置闭 环步进 伺 服系统 。通 过 触摸 屏 设 置 定 位长 度和 操 作 参 数 ， 实 现 物 料 的单 段 定 位 和 多 段 收 稿 日期 2 0 1 11 2 0 2 基金项 目 中央高校基本科研业务费资助 2 0 1 1 B 0 2 作者简 介 黎冠 1 9 8 l 一 ， 男 ， 山东菏泽人 ， 华北科技学院 电子信息工程学 院教 师 ， 硕士 ， 主要从 事智能控制 、 P L C应用 等方 向的研 究与教 学 工作 ， Em a i l l g 1 2 6 8 1 2 6 ． e o m。 2 0 1 2年 8月 黎 冠 ， 等 基 于 P L C的位 置 闭环伺 服 控制在 大行 程定 位 中的应 用 7 9 连续精确定位。 1 利用高速脉冲指令实现位置 闭环伺服控制 原 理 带 型磁 栅 尺是 在 带型 非 导磁 材 料上 涂 上一 层 磁 胶 ， 在 这条 磁性 带 上 记 录 N极 和 s极 相 问 变 化 的磁 极 ， 采 用拾磁 磁 头读 取 记 录在 磁 尺 上 的磁 信 号 ， 并通 过 检测 电路 将 信 号 送 人 控 制 系 统 的 位 置 环 ， 实 现对 物料 位移 的精 确测 量 ， 文 献 [ 8 - 9 ] 中对磁 栅 尺 的 工 作 原理 及应用 进行 了详 细 的介 绍 。文 献 [ 4 ] 中 ， 采 用 增 量编码器 ， 结合使用高速脉冲计数器， 采用触发 中断 的方 式 ， 实 现 了对步 进 电机 轴 的精 确定 位 ， 但 仍 然不 能消 除 同步带 等传 送 机 构产 生 的误 差 。而采 用 带 型 磁栅 尺 ， 将 送料 小 车实 际 运行 的距 离 实 时计 数 ， 通 过 与设定值 比较 ， 计数相等时触发 中断 ， 控制步进 电机 停 止 运行 ， 这 种 方 式 实 现 定 位 可 以消 除传 动 部 分 产 生 的 固有 误差 ， 能够 达 到较高 的精 度 。 基于 西 门子 S 7 2 0 0 P L C控 制 同 步齿 形 带 运 动 定 位系 统 框 图 如 图 1所 示 ， P L C通 过 P T O高 速 脉 冲 指 令发 出高 速 脉 冲 给 步 进 电 机 驱 动 器 ， 驱 动 步 进 电 机 运行 。步进 电 机 同步 轮 带 动 齿 形 带 ， 齿 形 带 带 动 切 割锯 水平 运 动 ， 切 割 锯 的移 动 距 离 通 过 磁 栅 尺 产 生 A B相正交高速脉 冲 ， 输入 到 P L C的高 速脉 冲计 数 器 。计数 器 的 值 与设 定 值 比较 ， 当送 料 台移 动 与 距 离即型材待锯切 的长度与触摸屏 的设置值相 等时 ， 触发 中断， 使步进电机停止运行， 达到定位的 目的。 图 1 闭环 步 进 电机 伺 服 系统 构 成 2位置 闭环步进 电机伺服控 制系统在 塑钢 型 材锯切 中心 中的应用 在研 制 塑 钢 型 材 锯 切 中心 控 制 系统 过 程 中 ， 为 了使 送料 机构 x轴 能够 将 长 达 6 0 0 0 mm 的塑 钢 型 材原 料精 确 的 定 位 到 锯 切 位 置 ， 并 能 够 实 现 在 多 点 定位 ， 提 出 了位 置 闭环 步进 电机伺 服控 制 系统 。 2 ． 1位置 闭环 步进伺 服 系统设 计 塑 钢 型 材 的 锯 切 过 程 中 ， 需 要 精 确 定 位 的 有 轴 送 料轴 和 轴 刀 具轴 。控 制器 选 用 西 门子 S 7 2 0 0 P L C系列 C P U 2 2 4 X P 。这 款 C P U集 成 了两 路 高 速 脉 冲 输 出 点 Q 0 ． 0和 Q 0 ． 1 ， 最 高 输 出 频 率 为 1 0 0 K H z ， 用 它来 给步 进 电机 驱动 器提 供 高速脉 冲 ， 完 全满足频率要求。C P U 2 2 4 X P集成 了多路高速脉 冲 计数单元可以用来接收磁栅尺反馈 回来 的位移脉 冲 信 号 。由于 轴 与 z轴 控 制 方式 类 似 ， 下 面 就 以 轴 为例说 明系 统 的实 现 。在 轴 方 向 ， 磁 栅 尺 直接 固定 在数 控 台上 ， 磁 头 分 别安 装 在 送料 台上 ， 可 随导 轨 移动 。步 进 电 机 采 用 两 相 混 合 式 步 进 电机 ， 并 配 有 1 2 8细 分 的驱 动 器 。P L C可根 据 触摸 屏 设 定 的 长 度和段数 ， 自动的向步进 电机驱动器发送高速脉冲， 脉 冲包络 曲线 如 图 2所示 。步进 驱 动器 将 P L C的 高 速脉冲细分后 ， 驱动步进电机转动 ， 并通过同步轮 、 同步带带 动送 料 台 。当送 料 台 推动 待 加 工塑 钢 型 材 沿 轴 移动 时 ， 磁 头对 型材 的 位移 进 行计 数 ， 并 将计 数 脉冲传 送 至 P L C的脉 冲捕 捉端 子 。通 过 P L C内部 计数器和预算可以精确计算 出型材移动的距离 。磁 栅 尺磁头 根据 检测 送料 台 的位移 ， 产 生 A B两路 高 速 脉 冲信号 ， 传 送给 P L C的高 速脉 冲计 数 单 元 ， 从 高 速 计数 器读 取 的值 与 程 序 设 定 的脉 冲值 进 行 比较 ， 当 计 数值 与设定 值对 应 的脉 冲数 相 等 时 ， 触 发 中断 ， 使 电机停 止运 动 ， 实 现位 置闭 环控制 。 定位 中断点 定位中断点 图 2多段 定 位 包 络 表 西 门 子 S 7 2 0 0 C P U 2 2 4 X P支 持 六 个 高 速 计 数 器 H S C 0到 H S C 5 。每个高 速 计 数器 可 以 有 1 2种 模 式 可供 选 择 。本 方 案 中 轴 磁 栅 尺信 号 输 入 选 用 H S C 0 ， 接线 方式 为 A接 1 0 ． 0 ， B接 1 0 ． 2 ， Z轴 磁栅 尺 信 号输 入 选 用 H S C 4 ， 接 线 方 式 为 A 接 1 0 ． 3 ， B接 1 0 ． 5 。工作 模式 都选 用模 式 1 0 ， 即计 数器 设置 为 A ／ B 相 正交计 数 器 ， 无 启 动输 入 ， 使 用 复位 输 入 。计 数 方 式 采用 4倍 速计数 模式 ， 实 现正 反方 向计数 。 2 ． 2定 位控 制编 程 西 门子 P L C软件 编程环 境 Mi e r o w i n S T E P 7 V 4 ． 0 提供 了脉 冲编程模 块 P T O，利 用 P T O多段 操 作设 计 包 络表 ， 如 图 2所 示 ， P L C高 速 脉 冲从 8 0 0 H z启 动 ， 正 常运行 频 率为 8 k H z ， 当距离定 位 点较短 距 离 时 ， 减 速 至 8 0 0 Hz 慢 速 运 行 ， 高 速 计 数 器 的 设 定 值 与 磁 栅 尺实 际测量 值相 等 时 即 当实 际长 度 与设 定 长 度相 等 时 ， 产 生 中断 ， 使 步进 电机 停 止 运 动 ， 使 系统 按 照 磁 栅 尺实 际测 量值 实 现定 位 。加 工 过程 中会 出现 多点 定 位控 制 ， 在 每个 定 位 点 均 采 用 中断 产 生 定 位 的方 法， 通过编制单段定位控制子程序， 并连续调用单段 定位子程序 的方法 ， 实现每次加工过程 中的多段定 位 控制 。 8 0 组 合机床 与 自动化加 工技 术 第 8期 系统 软件 流程 图如 图 3所示 。 开始 二[ I 设置加 工长 度l I 和 锯切次 数 l 二二 [二二 1 步进电机参数初始化 l 高速计数单元初始化 _ 二 二二 二二 一 厂 步 进电 机运行 I l 二]二 l l 磁栅尺 计数l l 。 。 r l 否 、 是 { 开中断，步进l { 电机停止l I I 1 宣垡 塞望l 图 3定 位 系统 流 程 图 2 ． 3系统 回零 的实现 由于每 次 加 工 塑 钢 型 材 时 ， 第 一 刀 切 割 都 是 在 型材 的端部 开 始 的 ， 所 以 直 接 采 用 第 一 刀 作 为 系 统 的零点 ， 因此 可 以 将 数 控 系 统 必 须 回零 点 的 步 骤 省 略 ， 回原点 采用 行程 开关 就 可 以达 到 控 制要 求 ， 为 了 实现 高速 回零 ， 同样 采用 上 述 定位 控 制 中 的方 法 ， 将 之前送 料小 车走 过 的所 有 行 程 作 为返 回距 离 ， 控 制 步进 电机 升 降速 ， 实 现 高 速 回零 。如 果 需 要 精 确 回 零 ， 可 采用 文献 中提 出的方 法 ， 在 步进 电机轴 上 安 装增量 编 码 器 ， 利 用 增 量 编 码 器 每 转 一 周 发 出 的 z 相脉 冲 即原点信 号 脉冲进 行 回零 操作 。 2 ． 4 P LC控 制程序 x轴步进 电机 初始 化 网络 1 设置 匀速 运动脉 冲数 LD S M 0． 0 MOVD VD0，VD21 43 网络 2 P T O指令 LD SMO． O L6 0． 0 LD 1 0 ．1 L6 3． 7 LD L6 0． 0 CAL L P TO0 一RUNS BR2， L 6 3． 7，VB5 0，MO． 0， M0． 1， VB51，VB5 2， VB 53，VD5 高速计 数器 初始 化 网络 3 LD SM0．1 M OVB 1 6 F8。 S M B4 7 HDEF 0，1 0 M OVD 0，SM D4 8 MOVD 5 0，SMD52 ATCH I NT 0 I NT0，1 3 ENI HS C 0 3系统精度分析 基 于磁栅 尺 的步 进 电机 位 置 伺 服 控 制 系统 ， 系 统精 度 主要 决 定 于 步 进 驱 动 系 统 、 同步 带 传 动 系 统 和磁栅 尺测 量 系 统 。步 进 电机 步距 角 为 1 ． 8度 ， 步 进 电机 驱 动 器 选 用 1 6细 分 最 大 1 2 8细 分 ， 即 3 2 0 0 P ／ r ， 步进 电机 每旋转 一 周 带 动 同步 带 为 3 2 mm， 即 步 进 驱 动 系 统 精 度 0 ． 1 m m； 磁 栅 尺 的分 辨 率 为 0 ． 0 5 m m， 所 以 当步进 电机驱 动 设 置 为 1 6细 分 时 ， 定 位精度 主要 取决 于磁 栅 尺位 移 测量 系 统 。实 际加 工 工程 中加工 精度 为 0 ． 0 6 m m， 符 合 塑钢 型 材加 工 生产 的工艺 要求 。 4 结束语 采用磁 栅尺 和 P L C基本 指令 实 现 了送料 台单点 和多 点定位 控 制 系统 ， 虽 然 不 是 真正 意 义 上 的 闭环 反馈系统 ， 但能够实现较高的定位精度和运行速度 ， 使得 行程 较大 的定 位控 制 的技 术 门槛 和 研制 成 本 大 大 降低 ， 在 很多 场合 可 以替 代 原有 昂贵 的数 控 系 统 。 该设 计成 功应用 于 塑钢 型 材锯 切 中心控 制 系统 的开 发 中 ， 取得 满 意的定位 精度 ， 具有 很好 的推广 价值 。 [ 参考文献] [ 1 ]王建平 ， 靖新 ．利用脉 冲输 出和高 速计数 功能实 现轴 的 精确定位 控 制 [ J ] ．沈 阳建筑 大 学 学报 自然科 学 版 ， 2 0 0 6， 2 2 1 1 6 81 7 1 ． [ 2 ]陈婵娟 ， 薛恺 ， 常美 蓉 ， 等 ．基 于 P L C的步进 电动机单 双 轴运动控制 的实现 [ J ] ．机械设 计与制 造 ， 2 0 0 9 3 1 7 8 1 8 O． [ 3 ]王立红 ．基于 P L C的步进 电机行程控 制 [ J ] ．组合机 床 与 自动化加工技术 ， 2 0 0 8 1 1 4 4 4 6 ． [ 4 ]杨 东 ， 黄永红 ， 张 新华 ， 等．用 P L C基本 指令实 现 自动运 动定位控制 的研 究 [ J ] ．微 计算 机信 息 测控 自动 化 ， 2 Ol O， 2 6 21 6 26 4 ． [ 5 ]罗妍 ， 李志 蜀 ， 王 汾雁 ， 等．P L C控 制 的步进 电机频 率 曲 线优化 技术研究 [ J ] ．四川大学学报 自然科学版 ， 2 0 0 7 1 6 56 8 ． [ 6 ]张芊 ， 胡定军．一种新型 的步进 电机闭环控 制方式 [ J ] ． 四川兵工学报 ， 2 0 0 9 ， 3 0 6 2 l 一 2 3 ． [ 7 ]王玉琳．数控 机床 的准闭环 控制技 术 [ J ] ．组合 机床 与 自动化加工技术 ， 2 0 0 5 3 6 7 6 8 ． [ 8 ]杨广 ， 刘芳 ， 李德勇．磁栅尺 的结构 、 特 点及应用 [ J ] ．传 感器技术 ， 1 9 9 9 2 5 3 5 5 ． [ 9 ]司海立 ， 程 武山 ， 孙 鑫 ， 等．磁栅位移 传感 器在 步进 电机 控制系统 中 的应用 [ J ] ．工业 仪表 与 自动 化装 置 ， 2 0 0 9 2 5 55 7 ． [ 1 0 ]廖常初．P L C编程及应用 [ M] ．北京 机械工业出版社 ， 2 00 2． [ 1 1 ]S I MA T I C s 7 2 0 0系统手册[ M] ．北京 西 门子 中国 有 限公司 ， 2 0 0 4 ． 编辑赵蓉