基于PLC和交流伺服的單軸控制系統

引言

經過幾十年的發展，交流伺服技術日臻成熟，性能不斷提升，已成為工業自動化領域的支撐性技術之一，廣泛應用在數控機床、紡織機械、自動化流水線等領域。在這些領域中，通過控制伺服電機旋轉來帶動工作臺移動的應用較為常見。本文介紹一種符合工業應用要求的單軸控制系統，系統主要由觸摸屏、可編程控制器、伺服電機和配套伺服驅動器組成。其中，觸摸屏作為人機界面，可實現對系統的實時監控，操作方便。為保證主從PLC間的數據通信，系統加入了Profibus—DP協議。文中對系統的硬件選型、接口和程序設計做了較為詳細的闡述。實驗證明該系統符合設計要求，有較好的工程應用價值。

1 系統設計要求與硬件選型

在該系統中，滾珠絲杠、導軌和伺服電機組成傳動裝置。工作臺由導軌支撐，安裝在滾珠絲杠上，絲杠經聯軸器與伺服電機轉子相連接，實現將電機的旋轉運動轉為工作臺的直線運動。系統工作過程中設有如下要求：設計工作臺具有自動和點動兩種工作模式，自動模式下，能通過觸摸屏參數輸入窗口設置工作臺移動值，要求每單位輸入對應工作臺移動1 mm：點動模式下，可通過觸摸屏或現場左右點動控制按鈕，手動控制工作臺移動。兩種模式運行時，觸摸屏端相應工作模式指示燈點亮。系統應設有緊急停止功能，以保證系統運行安全。

系統硬件部分選型如下：普通PC：西門子S7-300(CPU315—2DP)和S7—200(CPU224晶體管)PLC：西門子TP177B color PN／DP 5．7英寸彩色液晶觸摸屏：珠海運控60BL3A20—30H交流伺服電機，電機額定輸出功率200W，額定線電流1．3A，額定線電壓119．8V，額定轉矩0．637 Nm，額定轉速3000r/m，額定電壓220V，配2500線光學編碼器，所帶編碼器直接安裝在電機轉子上：驅動器選用與伺服電機配套的珠海運控PSDA0233A8全數字交流伺服驅動器。該驅動器具有位置、速度、模擬調速等八種工作模式，驅動器內置電機專用數字處理器，以軟件方式實現了電流環、速度環、位置環的閉環伺服控制，具備良好的魯棒性和自適應能力，適應于各種需要快速響應的精密轉速控制與定位控制的應用系統。同時，該驅動器具有電機過流、過壓、欠壓、過負載、編碼器故障等完善的保護機制。

2 伺服控制部分硬件設計

在該系統中，S7-200PLC、伺服驅動器和伺服電機組成伺服控制部分。該節重點介紹S7-200PLC與驅動器的接線和驅動器參數設置。

2．1 PLC驅動器接線

PLC和驅動器接口配線中，驅動器端用到了JP1和JP2兩個端口。其中，JPI端口用于連接編碼器，通過此端口，編碼器由雙絞屏蔽線向驅動器發送脈沖反饋;JP2是位置指令輸入輸出端口，該端口為50PIN高密接口，用于實現與57-200PLC的數據交換。57-200PLC作為運動控制從站，其部分輸入/輸出口定義和與驅動器的連接管腳如表1所示。其中，10.0-10.5接外部控制按鈕，接收外部相應動作指令輸入。由于PLC輸出為f24V信號，因此脈沖和方向接線端子輸出采用共陰接法，系統以Q0.2作為方向控制信號接線端子，當置0時工作臺前行(遠離伺服電機)，置1時后退。

表1 部分57-200接口定義和管腳連接

2.2 驅動器參數設置

接線完成后需進行驅動器參數設置。按照設計要求，對應于系統所要求的兩種工作模式和復位功能，驅動器應進行不同設置。其中，自動模式運行時，驅動器工作在位置模式下，電機據輸入脈沖指令運轉，帶動絲杠工作;點動模式和回原點操作時，驅動器工作在速度模式下，電機據外部I10選擇內部速度運轉。為此，將伺服驅動器設定為混合控制控制模式。兩種方式的切換由PLC輸出口Q0.4決定(置0時位置模式，置l時速度模)。驅動器兩種模式下，也需要進行相應的參數設置。以混合模式下的位控參數設置為例，驅動器輸入脈沖指令類型選為脈沖+方向模式:電機方向指令取反控制采用出廠值設置;速度與位置增益用于調整負載功率變化時伺服電機運行效果，在功率選型合理情況下，增益參數在出廠前已被調整至較合理值，這里暫不做更改。該例的參數設置如表2所示。