基于臺達(dá)PLC控制伺服定位系統(tǒng)的制作

基于臺達(dá)PLC控制伺服定位系統(tǒng)的制作1緒論當(dāng)今社會在自動化生產(chǎn)過程中控制方式日新月異，實(shí)現(xiàn)相同的功能卻有不同的方法方式。像如今的很多數(shù)控車床，激光設(shè)備上都要使用定位控制，它的實(shí)現(xiàn)方式也有很多。有的利用單片機(jī)結(jié)合伺服系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)定位控制；有的利用控制器控制伺服驅(qū)動實(shí)現(xiàn)；有的使用plc高速脈沖輸出功能結(jié)合伺服系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)；還有的會利用變頻器的多段速控制來實(shí)現(xiàn)定位控制。這些不同的控制系統(tǒng)方式的實(shí)現(xiàn)各有各的特點(diǎn)，成本也各有差異，于是針對不同的設(shè)備有對精度和響應(yīng)速度的不同要求，選擇合適的控制系統(tǒng)和最優(yōu)的性價(jià)比就非常必要。本文介紹一個(gè)高性價(jià)比的控制定位系統(tǒng)，應(yīng)用臺達(dá)plc的高速脈沖輸出和與臺達(dá)驅(qū)動器通訊的功能來實(shí)現(xiàn)的定位的例子。1.1本課題的目的和意義一.

項(xiàng)目背景

我國是一個(gè)機(jī)床生產(chǎn)和應(yīng)用大國,但數(shù)控控制技術(shù)的應(yīng)用水平和對定位精度控制還不高,嚴(yán)重的制約著我國制造業(yè)，生產(chǎn)業(yè)的進(jìn)一步發(fā)展。國外的相關(guān)開發(fā)計(jì)劃和成熟技術(shù)對我國的機(jī)床控制技術(shù)的發(fā)展提出了嚴(yán)峻的挑戰(zhàn),在此同時(shí)也帶給我們機(jī)遇。

從這幾年來看,PLC在工業(yè)自動控制領(lǐng)域應(yīng)用的發(fā)展是蒸蒸日上,在控制效果、裝配周期和硬件的成本等各個(gè)方面表現(xiàn)出來的綜合優(yōu)勢是其他工控產(chǎn)品難以超越的。隨著它在不同領(lǐng)域的快速發(fā)展,它在速度控制、位置控制、過程控制、數(shù)據(jù)處理等方面的應(yīng)用也得到進(jìn)一步的提高。對平臺的實(shí)際設(shè)計(jì)和客戶需求,不僅要提高車床加工的精度,對其定位控制系統(tǒng)裝置的選擇也顯得非常重要。[1]

PLC有專用的定位控制模塊,可以對直線運(yùn)動、圓周運(yùn)動的位置,速度和加速度進(jìn)行控制,不僅可以實(shí)現(xiàn)單軸也可以控制多軸進(jìn)行位置控制,使運(yùn)動控制與順序控制兩種控制方式快速有效地結(jié)合起來,廣泛地用于機(jī)械生產(chǎn)，激光切割，機(jī)器人，機(jī)械手，電梯等。1.2伺服定位系統(tǒng)的概述1.2.1伺服定位系統(tǒng)的組成伺服系統(tǒng)（servomechanism）又稱隨動系統(tǒng)，是用來精確地跟隨或復(fù)現(xiàn)某個(gè)過程的反饋控制系統(tǒng)。伺服系統(tǒng)使物體的位置、方位、狀態(tài)等輸出被控量能夠跟隨輸入目標(biāo)（或給定值）的任意變化的自動控制系統(tǒng)。它的主要任務(wù)是按控制命令的要求、對功率進(jìn)行放大、變換與調(diào)控等處理，使驅(qū)動裝置輸出的力矩、速度和位置控制非常靈活方便。在很多情況下，伺服系統(tǒng)專指被控制量（系統(tǒng)的輸出量）是機(jī)械位移或位移速度、加速度的反饋控制系統(tǒng)，其作用是使輸出的機(jī)械位移（或轉(zhuǎn)角）準(zhǔn)確地跟蹤輸入的位移（或轉(zhuǎn)角）。伺服定位系統(tǒng)基本由以下部分組成：繼電器：繼電器是一種電控元件。它有線圈和常開，常閉開關(guān)組成。廣泛應(yīng)用于遙控、遙測、通訊、自動控制、機(jī)電一體化及電力電子設(shè)備中，是最重要的控制元件之一通常應(yīng)用于自動化的控制電路中，它實(shí)際上是用小電流去控制大電流運(yùn)作的一種“自動開關(guān)”。故在電路中起著自動調(diào)節(jié)、安全保護(hù)、轉(zhuǎn)換電路等作用。伺服驅(qū)動器：是用來控制伺服電機(jī)的，通過與PLC指令實(shí)現(xiàn)控制電機(jī)轉(zhuǎn)動，屬于伺服系統(tǒng)的一部分，高精度的定位系統(tǒng)可以用到它。它主要有三種控制方式位置、速度和力矩，實(shí)現(xiàn)高精度的傳動系統(tǒng)定位伺服電機(jī)：主要任務(wù)是提供動力接觸器：接觸器是利用線圈流過電流產(chǎn)生磁場，使觸頭閉合，以達(dá)到控制負(fù)載的電氣器件。接觸器由電磁模塊（鐵心，靜鐵心，電磁線圈）觸頭模塊（常開觸頭和常閉觸頭）和滅弧裝置組成。其工作原理是當(dāng)接觸器線圈得電后，線圈吸合并帶動觸頭動作：原常閉觸頭斷開；原常開觸頭閉合，兩者是聯(lián)動的。當(dāng)線圈斷電時(shí)，線圈吸合消失，銜鐵在釋放彈簧的作用下釋放，使觸頭恢復(fù)上電前的狀態(tài)，也就是最原始狀態(tài)。控制器：是整個(gè)系統(tǒng)的大腦，采用臺達(dá)PLC控制。人機(jī)界面：監(jiān)控整個(gè)系統(tǒng)。1.2.2PLC控制伺服定位系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)1.實(shí)時(shí)性由于PLC產(chǎn)品設(shè)計(jì)和開發(fā)是基于控制為前提，并不斷完善，PLC指令信號處理時(shí)間比較短，速度響應(yīng)快。就是因?yàn)橛行盘柼幚砗统绦蜻\(yùn)行的速度，PLC經(jīng)常用于各個(gè)領(lǐng)域大、中、小型工業(yè)控制項(xiàng)目。2.高可靠性PLC的I/O輸入輸出信號均采用光電隔離，使現(xiàn)場的一些外電路與PLC內(nèi)部電路形成電氣上隔離作用。輸入端自帶R-C濾波器，濾波時(shí)間常數(shù)一般為10~20ms。采用性能優(yōu)良的開關(guān)電源。具有良好的自診斷功能，一旦電源或其他軟件，硬件發(fā)生異常情況，PLCCPU立即采取有效措施，以防止故障擴(kuò)大。大型PLC還可以采用由雙CPU構(gòu)成冗余或有三CPU構(gòu)成表決系統(tǒng),以及實(shí)現(xiàn)電源模塊冗余、IO模塊冗余進(jìn)一步提高性能。3.系統(tǒng)配置簡單靈活控制器

產(chǎn)品種類很多，規(guī)?？煞执?、中、小I/O模塊種類豐富，可根據(jù)客戶實(shí)現(xiàn)不同功能要求不同，而進(jìn)行自由靈活的配置。

4.豐富的I/O模塊

PLC針對不同的現(xiàn)場信號，如：AC或DC電流；開關(guān)量或模擬量；電壓或電流；脈沖或電位；強(qiáng)電或弱電等,都有相應(yīng)的I/O模塊與工業(yè)現(xiàn)場的元?dú)馄骷蛲鈬O(shè)備，如：按鈕、行程開關(guān)、接近開關(guān)、傳感器及變送器、控制閥等直接相接。此外為了方便性能操作，它還有多種人-機(jī)接口模塊;想要組成工業(yè)局部網(wǎng)絡(luò)，它還有多種通訊聯(lián)網(wǎng)的接口模塊可以實(shí)現(xiàn)，等等。5.PLC系統(tǒng)采用模塊化結(jié)構(gòu)

為了適應(yīng)各種不同工業(yè)控制需要，除了組合式的小型控制器以外，絕大多數(shù)PLC均采用模塊化結(jié)構(gòu)。PLC控制器的各個(gè)部件，包括CPU，電源，I/O等均采用模塊化設(shè)計(jì)，系統(tǒng)的規(guī)模和功能可根據(jù)用戶的需要自行組合。6.價(jià)格優(yōu)勢

質(zhì)優(yōu)價(jià)廉，性價(jià)比高。

7.安裝簡單，維修方便

可以在各種工業(yè)環(huán)境下直接運(yùn)行。使用時(shí)只需將現(xiàn)場的各種外圍設(shè)備與PLC相應(yīng)的I/O口連接，即可投入運(yùn)行實(shí)現(xiàn)功能。模塊上均有運(yùn)行和故障指示燈，可以很直觀的觀察運(yùn)行情況和查找故障。由于采用模塊化結(jié)構(gòu)，如果出現(xiàn)故障可以及時(shí)更換故障模塊使系統(tǒng)迅速恢復(fù)運(yùn)行。

8.控制器實(shí)現(xiàn)的功能

邏輯控制

定時(shí)控制

計(jì)數(shù)控制

順序控制

PID控制

1.3國內(nèi)外研究現(xiàn)狀近年，隨著經(jīng)濟(jì)全球化、環(huán)境保護(hù)、市場競爭的推動，我國發(fā)動機(jī)業(yè)迅速向開發(fā)智能、高效、節(jié)能、滿足環(huán)保要求的新型內(nèi)燃機(jī)和清潔能源內(nèi)燃機(jī)（天然氣、液化石油氣等替代燃料發(fā)動機(jī)）方向邁進(jìn)，所以發(fā)動機(jī)制造廠紛紛引進(jìn)各種先進(jìn)的生產(chǎn)設(shè)備，也帶動了國內(nèi)機(jī)床制造業(yè)的提升和發(fā)展，加工中心等數(shù)控機(jī)床生產(chǎn)企業(yè)及生產(chǎn)數(shù)量逐年增長，自然而然也帶動伺服控制系統(tǒng)的發(fā)展。未來PLC控制伺服的發(fā)展趨勢主要表現(xiàn)為：（1）自動化程度要求不斷提高。近年來隨著PLC技術(shù)的不斷發(fā)展，今后的伺服也進(jìn)一步詮釋PLC強(qiáng)大控制功能。（2）現(xiàn)如今精密切割的不斷提高，伺服定位系統(tǒng)精度要求也不斷提高才能滿足現(xiàn)今生產(chǎn)需求。（3）應(yīng)用領(lǐng)域越來越廣泛。1.4本課題的研究內(nèi)容課題的主要任務(wù)是利用臺達(dá)DVP系列PLC來控制伺服定位系統(tǒng)的定位。它的工藝過程是接收到來傳感器信號及屬性信息后，PLC給驅(qū)動器指令輸出控制電機(jī)，PLC檢測到不同位置傳感器反饋信號后，PLC對伺服驅(qū)動器做出相應(yīng)的控制，伺服驅(qū)動控制伺服電機(jī)進(jìn)行對位，定位，原點(diǎn)回歸。主要內(nèi)容如下：第一章扼要地介紹了伺服定位系統(tǒng)的概述、特點(diǎn)與背景；第二章伺服定位系統(tǒng)的控制方案；第三章介紹了組成系統(tǒng)的主要硬件的選型，例如PLC、伺服驅(qū)動，電機(jī)等選型第四章介紹本系統(tǒng)PLC程序的設(shè)計(jì)；第五章講解了HMI軟件顯示畫面的設(shè)計(jì)；第六章結(jié)論2定位系統(tǒng)控制方案的設(shè)計(jì)本系統(tǒng)方案的設(shè)計(jì)主要來源于這次畢設(shè)課題的要求和當(dāng)今社會的背景，隨著不斷提高的現(xiàn)代化工業(yè)生產(chǎn)的發(fā)展，氣動技術(shù)、液壓技術(shù)、傳感器技術(shù)、PLC技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)及通訊技術(shù)等多種技術(shù)的緊密結(jié)合而形成的機(jī)電液一體化、機(jī)電氣一體化、機(jī)電光一體化的自動化控制技術(shù)的應(yīng)用在工業(yè)生產(chǎn)中正起著越來越重要的作用。伺服控制系統(tǒng)就是其中的一部分。2.1系統(tǒng)的控制方案本系統(tǒng)思路是由圖如下所示：圖2-1-1伺服定位演示系統(tǒng)2.2系統(tǒng)設(shè)計(jì)的思路基于上述思路，定位系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過程中主要考慮以下幾點(diǎn)：（1）分析課題的思路，對課題進(jìn)行需求分析，提出定位系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案。（2）制作I/O地址分配表。根據(jù)定位系統(tǒng)功能所需要求，確定定位系統(tǒng)PLC所需的輸入和輸出點(diǎn)。（3）硬件的選擇，即伺服系統(tǒng)、傳感器、PLC等重要的元器件。（4）繪制電氣原理圖?？紤]安全所需保護(hù)措施和各電器元件間的接線。（5）繪制程序流程圖。根據(jù)定位系統(tǒng)的需求繪制出系統(tǒng)的工作流程。（6）編寫系統(tǒng)的程序，根據(jù)定位系統(tǒng)的工作要求編寫出PLC的程序和HMI的畫面，這是整個(gè)設(shè)計(jì)的核心任務(wù)。（7）調(diào)試程序。程序是整個(gè)系統(tǒng)工作的重點(diǎn)，是保證系統(tǒng)工作正常、安全可靠的最至關(guān)重要的。因此，控制系統(tǒng)的程序必須與現(xiàn)場經(jīng)過反復(fù)調(diào)試、修改，直至達(dá)到要求為止。（8）完善系統(tǒng)。圖2-2控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)步驟3系統(tǒng)的硬件選型本系統(tǒng)由PLC、伺服驅(qū)動器、觸摸屏、光電傳感器等元器件組成，本章主要對系統(tǒng)中元器件進(jìn)行詳細(xì)的介紹。3.1PLC選型3.1.1PLC的選型PLC是控制系統(tǒng)的控制部分相當(dāng)于人的大腦，正確的選擇PLC，對于保證整個(gè)控制系統(tǒng)的技術(shù)性能起著重要的作用。PLC的選擇包括：（1）I/O點(diǎn)數(shù)的估算，總輸入輸出（I/O）點(diǎn)數(shù)=輸入點(diǎn)數(shù)+輸出點(diǎn)數(shù)，預(yù)留+10%～20%I/O備用；（2）存儲器容量的估算，總內(nèi)存容量=開關(guān)量點(diǎn)數(shù)×10＋模擬量點(diǎn)數(shù)×150；（3）控制方式的選擇，包含：運(yùn)算方式、控制方式、通信方式、編程方式、診斷方式、處理速度；（4）機(jī)型的選擇，包含：PLC型號、輸入輸出模塊的選擇、開關(guān)電源的選擇、冗余模塊功能的選擇、再考慮經(jīng)濟(jì)實(shí)惠性；因此考慮到輸入輸出點(diǎn)數(shù)和總內(nèi)存容量，選用臺達(dá)EH系列PLC以及其I/O擴(kuò)展模塊作為主體控制設(shè)備。同時(shí)PLC對伺服驅(qū)動器的控制方式為脈沖+方向控制。該系列PLC有如下特點(diǎn)：優(yōu)異的運(yùn)算效能，內(nèi)部自帶很多輔助指令簡單，效率高（2）簡易通訊功能，直接可以通過USB與RS232轉(zhuǎn)接口進(jìn)行下載程序（3）支持運(yùn)動控制和速度控制指令，搭配高速脈沖輸出功能，輕易達(dá)成兩軸同動的控制要求。（4）可搭配多樣化擴(kuò)充模組和功能卡，滿足不同用戶要求。全新的特殊擴(kuò)展模塊，可大大減少PLCCPU與擴(kuò)展模塊之間的數(shù)據(jù)傳輸時(shí)間，從而大大提升效率。綜上所述，初步確定選用臺達(dá)DVP32ES200TPLC主機(jī)一臺，擴(kuò)展模塊DVP32HP00T一臺作為系統(tǒng)的控制主體。（1）DVP32ES200TPLC簡介·ES系列主機(jī)40點(diǎn)，16in/16out·最大I/O點(diǎn)數(shù)：16點(diǎn)·指令執(zhí)行速度：0.24μs（基本指令）·通信部：內(nèi)建RS-232與RS-485，相容ModbusASCII/RTU通信協(xié)議·內(nèi)存容量高達(dá)16KSteps·交流電源，電晶體輸出·支持2組AB相200KHz脈沖輸出（Y0，Y1）、（Y2，Y3），2點(diǎn)200KHz脈沖輸出Y4、Y6LN+24V24GS/SX0X1X2X3X4X5X6X7X8X9X10X11X12X13X14X15X16DVP32ES200TUP0ZP0Y0Y1Y2Y3Y4Y5Y6Y7UP1ZP1Y10Y12Y13Y14Y15Y16Y17圖3-1-1DVP_40EH00T2端子排3.1.2PLC的電源連接鑒于上文介紹的PLC型號特性，PLC連接時(shí)應(yīng)注意以下事項(xiàng)：（1）PLC都是交流電源，L、N都接220V交流電源（2）主機(jī)和擴(kuò)展模塊都是電晶體輸出類型，輸出公共端C全部接地（0V）；（3）輸入端以SINK模式配線，將S/S端接+24V直流電源；（4）其余接地端和24G共地（0V）。3.2伺服電機(jī)的選型伺服電機(jī)（servomotor）是指在伺服系統(tǒng)中控制機(jī)械元件運(yùn)轉(zhuǎn)的動力源。伺服電機(jī)可使控制的速度，位置精度都非常準(zhǔn)確，可以將電壓信號轉(zhuǎn)化為轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速以驅(qū)動控制對象。伺服電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速受輸入信號控制，并能快速反應(yīng)，在自動控制系統(tǒng)中，用作執(zhí)行元件，且具有機(jī)電時(shí)間常數(shù)小、線性度高、始動電壓等特性，可把所收到的電信號轉(zhuǎn)換成電動機(jī)軸上的角位移或角速度輸出。分為直流和交流伺服電動機(jī)兩大類，其主要特點(diǎn)是，當(dāng)信號電壓為零時(shí)無自轉(zhuǎn)現(xiàn)象，轉(zhuǎn)速隨著轉(zhuǎn)矩的增加而勻速下降。每種型號電機(jī)的規(guī)格項(xiàng)內(nèi)均有額定轉(zhuǎn)矩、最大轉(zhuǎn)矩及電機(jī)慣量等參數(shù)，各參數(shù)與負(fù)載轉(zhuǎn)矩及負(fù)載慣量間必定有相關(guān)聯(lián)系存在，選用電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩應(yīng)符合負(fù)載機(jī)構(gòu)的運(yùn)動條件要求，如加速度的快慢、機(jī)構(gòu)的重量、機(jī)構(gòu)的運(yùn)動方式（水平、垂直、旋轉(zhuǎn)）等；運(yùn)動條件與電機(jī)輸出功率無直接關(guān)系，但是一般電機(jī)輸出功率越高，相對輸出轉(zhuǎn)矩也會越高。因此，影響電機(jī)的選用不僅僅是機(jī)構(gòu)的重量，也有來之運(yùn)動條件的影響。慣量越大時(shí)，需要越大的加速及減速轉(zhuǎn)矩，加速及減速時(shí)間越短時(shí)，也需要越大的電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩。依下列步驟進(jìn)行伺服電機(jī)選型：（1）確定負(fù)載機(jī)械的運(yùn)行條件，主要是考慮加/減速的快慢、運(yùn)動控制速度、機(jī)械構(gòu)造的重量、機(jī)械結(jié)構(gòu)的運(yùn)動方式等。（2）根據(jù)機(jī)構(gòu)運(yùn)行要求選用合適的負(fù)載慣量計(jì)算公式，用來計(jì)算機(jī)構(gòu)的負(fù)載慣量。（3）根據(jù)負(fù)載慣量與伺服電機(jī)慣量預(yù)選定幾種電機(jī)型號進(jìn)行對比。（4）結(jié)合預(yù)選的電機(jī)慣量與負(fù)載慣量，計(jì)算出加、減速轉(zhuǎn)矩。（5）根據(jù)電機(jī)的配置方式、摩擦系數(shù)、運(yùn)行效率、負(fù)載重量計(jì)算出負(fù)載轉(zhuǎn)矩。（6）初步選定的電機(jī)輸出最大轉(zhuǎn)矩必須大于負(fù)載轉(zhuǎn)矩+加/減速轉(zhuǎn)矩；如果不符合條件要求，必須選用其他型號電機(jī)并用計(jì)算值來驗(yàn)證是否符合設(shè)計(jì)要求。（7）初步選定的電機(jī)的額定轉(zhuǎn)矩>連續(xù)瞬時(shí)轉(zhuǎn)矩，如果不符合條件要求，必須選用其他型號電機(jī)并用計(jì)算值來驗(yàn)證是否符合設(shè)計(jì)要求。（8）完成選定。在實(shí)際應(yīng)用的選擇設(shè)計(jì)中，要注意這些方面的特性合理選擇伺服電機(jī)。本系統(tǒng)中X軸的伺服電機(jī)為ASD-B0421-B2,Y軸方向?yàn)锳SD-B0421-B2(10)轉(zhuǎn)速與實(shí)際位置的計(jì)算一分鐘×頻率÷磁極對數(shù)×（1-轉(zhuǎn)差率）

60（秒）×50（HZ）÷磁極對數(shù)=同步轉(zhuǎn)速

比如6極電動機(jī)的同步轉(zhuǎn)速=3000÷3=1000轉(zhuǎn)/min，三相異步電動機(jī)大約960轉(zhuǎn)左右此時(shí)伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)速只和脈沖發(fā)送的頻率有關(guān)系，因?yàn)榇藭r(shí)PLC發(fā)送10000個(gè)脈沖電機(jī)旋轉(zhuǎn)1圈。如果電齒輪比為1，25轉(zhuǎn)/秒，所以PLC的脈沖發(fā)送頻率就是25×10000脈沖/秒（也就是250K赫茲）。電機(jī)轉(zhuǎn)速和扭矩（轉(zhuǎn)矩）公式

1、電機(jī)有個(gè)共同的公式，P=MN/9550

P為額定功率，M為額定力矩值，N為額定轉(zhuǎn)速，所以確定電機(jī)功率和額定轉(zhuǎn)速就可以得出額定力矩大小。注意P的單位是KW,N的單位是R/MIN(RPM),M的單位是NM

2、扭矩和力矩完全是一個(gè)概念，是力和力臂長度的乘積，單位NM(牛頓米)

比如一個(gè)電機(jī)輸出扭矩20NM，在離輸出軸1M的地方（力臂長度1M），可以得到20N的力；如果在離輸出軸100M的地方（力臂長度100M），只能得到0.1N的力

電機(jī)轉(zhuǎn)速公式：n＝60f/P

(n＝轉(zhuǎn)速，f＝電源頻率，P＝磁極對數(shù))

扭矩公式：T=9550P/n

T是扭矩，單位N·mP是輸出功率，單位KW

n是電機(jī)轉(zhuǎn)速，單位r/min

扭矩公式：T=973P/n

T是扭矩，單位Kg·m

P是輸出功率，單位KW

n是電機(jī)轉(zhuǎn)速，單位r/min

3.3伺服驅(qū)動器的選型3.3.1伺服驅(qū)動器選型伺服電機(jī)必須有驅(qū)動器才能旋轉(zhuǎn)，一組伺服電機(jī)由電機(jī)與驅(qū)動器匹配組成，由制造廠家將電機(jī)與驅(qū)動器匹配到最佳狀態(tài)，用戶最好不要隨意混合搭配。如下表所示，紅線框表示本系統(tǒng)選擇的伺服驅(qū)動器和所對應(yīng)的伺服電機(jī)型號。圖3-3-1伺服驅(qū)動器型號本系統(tǒng)選用功能齊全的臺達(dá)B系列伺服驅(qū)動器，其特點(diǎn)為：（1）多樣化地模式控制，位置/速度/扭矩控制，外部寸動功能等（2）性能優(yōu)異，通訊功能強(qiáng)大（3）內(nèi)含簡易編碼器，可進(jìn)行位置，速度反饋，可做單軸定位控制本設(shè)計(jì)系統(tǒng)選用臺達(dá)ASDA-AB系列伺服驅(qū)動分別與相應(yīng)的伺服電機(jī)配合完成兩個(gè)軸的運(yùn)動控制。X軸的伺服電機(jī)為ECMA_C30401ES，與之相匹配的驅(qū)動為ASD-A0121-AB,Y軸方向?yàn)镋CMA_C30602ES,與之相匹配的驅(qū)動為ASD-A0221-AB。3.3.2驅(qū)動器端子說明圖3-3-2驅(qū)動器端子說明圖3-3-3驅(qū)動器端口說明3.4HMI的選型本系統(tǒng)采用的是臺達(dá)B系列的人機(jī)界面，其強(qiáng)大的控制器支援性，支持多種廠牌的控制器，不需額外開發(fā)通信程式，大幅度節(jié)省系統(tǒng)設(shè)計(jì)；除了標(biāo)準(zhǔn)串口列通訊界面（RS485/RS232/RS422）外，DOP-B人機(jī)還支援USB、乙太網(wǎng)絡(luò)、音效、SD卡界面，可滿足各種不同應(yīng)用的需求。選用B系列的型號是DOP-B07S410下表為其性能參數(shù)圖3-4-1觸摸屏參數(shù)說明DOP-B07系列面板:圖3-4-2HMI面板正面圖3-4-3HMI面板反面3.5傳感器的選用在定位系統(tǒng)中采用BF3RX+FD-320-05光纖傳感器作為貨物檢測，它是韓國奧托尼克斯公司的從產(chǎn)品，采用內(nèi)置粗調(diào)/微調(diào)雙調(diào)節(jié)旋鈕，可實(shí)現(xiàn)微調(diào)的光纖放大器，可通過連接線轉(zhuǎn)換LIGHTON/DARKON方式，內(nèi)裝輸出過流保護(hù)線路，電源反接保護(hù)線路可檢測微小物體，可自由調(diào)節(jié)光纖長短。3-5-1光纖傳感器連接圖圖3-5-2控制輸出電路由3-5-2可以看出它有四線（棕色、黑色、藍(lán)色、白色），棕色連接接電源正極；藍(lán)色連接電源負(fù)極；黑色為信號線，當(dāng)有物體時(shí)靠近，輸出信號為低電平，反則為高電平；白色懸空。需注意物體不要離傳感器太遠(yuǎn)，否則傳感器檢測不到。型號BF3RX應(yīng)答速度Max.1ms電源12-24VDC±10%（幅度P-P:Max10%）消耗電源Max.40mA光源紅色LED(調(diào)制)動作方式由控制線選擇開關(guān)/DARKON方式靈敏度調(diào)整兩種調(diào)節(jié)方式：1、粗略調(diào)節(jié)，2、精確調(diào)節(jié)（VR）控制輸出電壓負(fù)荷：Max.30VCD電流負(fù)荷：Max.200mA殘余電壓：Max.1V保護(hù)電路電源線路反接保護(hù)，輸出端電流過載保護(hù)指示燈紅色動作指示燈連接方式配線連接絕緣阻抗Min.20MΩ（at500VDC）耐電壓1,000VAC50/60Hz1分鐘抗沖擊500m/s2（50G）inX,Y,Z各方向3次環(huán)境亮度太陽光：Max.11,000ιx，日光燈：Max.3,000ιx環(huán)境溫度操作時(shí)：-10to50℃（未結(jié)冰狀態(tài)）保存時(shí)：-25to70℃環(huán)境濕度35to85%RH,保存時(shí)：35to85%RH材質(zhì)外殼：ABS電纜4P,Φ5mm，長度：2m附件調(diào)節(jié)起子，支架，螺母/螺栓重量約.90g表3-5-3傳感器性能參數(shù)本課題中傳感器動作檢測共有3處，全部采用接近式光電傳感器進(jìn)行檢測并向系統(tǒng)發(fā)出相應(yīng)的電信號進(jìn)行控制。主要考慮到不同位置機(jī)械固定方式不同以及反應(yīng)速度方面因素，具體方案如下介紹：(1）凹槽的D-Z73L型號（方形槽）的傳感器，其為SMC旗下的產(chǎn)品。圖3-5-4外形結(jié)構(gòu)圖Reedswitch:舌彈開關(guān)Resistor:電阻LED:發(fā)光二極管Zenerdiode:穩(wěn)壓二極管圖3-5-6控制輸出電路由圖3-5-6知道，藍(lán)色線端接電源負(fù)極（24V-），PLC的輸入端接棕色線。Maincircuitofswitch:開關(guān)主回路Brown:棕色Blue:藍(lán)色圖3-5-7控制輸出電路由結(jié)構(gòu)圖可以看出，藍(lán)色線端接電源負(fù)極（24V-），PLC的輸入端接棕色3.6電氣原理控制圖設(shè)計(jì)3.6.1設(shè)備接線分析完成以上分析和選型工作后，便可著手電氣原理圖的設(shè)計(jì)及系統(tǒng)電氣線路的連接。在電氣原理圖的設(shè)計(jì)過程中，最重要的一部分是各設(shè)備的電源連接和通信連接。設(shè)計(jì)時(shí)必須嚴(yán)格遵守各設(shè)備的電氣規(guī)格和通信特性等，以保證各設(shè)備可正常使用，設(shè)備的運(yùn)行安全可靠。注意事項(xiàng)簡列如下幾點(diǎn)：(1）傳感器電源，信號線接線注意事項(xiàng)兩線制傳感器的藍(lán)色端節(jié)24V-,PLC輸入端為棕色線作為信號。切忌直接接24V電源；四線制傳感器（PNP）棕色端接24V+,藍(lán)色和白色端接24V-,黑色端作為信號端接PLC輸入端。(2）伺服控制線路伺服系統(tǒng)由伺服電機(jī)和伺服驅(qū)動兩大件組成，通過與上位機(jī)PLC的通信最終完成定位圖3-5-8伺服驅(qū)動通訊的連接示意圖元件安裝接線過程應(yīng)注意以下幾點(diǎn)事項(xiàng)：①檢查R、S、T（L1M、L2M）與L1、L2的電源和接線是否正確。②確定伺服電機(jī)輸出U、V、W端子正確的相序，相序不對電機(jī)可能不轉(zhuǎn)或亂轉(zhuǎn)。③異常或緊急停止時(shí)，利用ALARM或是WARN輸出將驅(qū)動器斷電，切斷伺服驅(qū)動器電源。④驅(qū)動器與電機(jī)連線預(yù)留一定長度；（5）人機(jī)界面控制線路圖3-6-1人機(jī)界面反面面板圖注意：輸入電源為DC24V，使用人機(jī)界面時(shí)，請勿以尖銳物品碰觸面板，否則可能導(dǎo)致面板凹陷，進(jìn)而使人機(jī)界面無法正常運(yùn)作。由于人機(jī)界面沒有電源開關(guān)，為避免觸電意外，請勿在開啟電源情況下改變配線3.6.2電氣原理圖在繪制系統(tǒng)電氣原理圖時(shí)，系統(tǒng)中的元器件的使用其電氣符號繪制，下圖中接觸器的1L、3L、5L;2L、4L、5L為三相線觸點(diǎn)，13NO、14NO表示常開輔助觸點(diǎn)。圖3-6-2接觸器圖4PLC軟件程序的設(shè)計(jì)4.1WPLSoft2.37介紹WPLSoft2.37為臺達(dá)可編程序控制器DVP系列在WINDOWS操作系統(tǒng)環(huán)境下所使用的編程軟件。WPLSoft2.37除了一般PLC程序的規(guī)劃及WINDOWS的一般編輯功能（例如：剪切、粘貼、復(fù)制、多窗口……）外，另提供多種中/英文批注編輯及其它便利功能（例如：寄存器編輯、設(shè)定、文件讀取、存盤及各接點(diǎn)圖監(jiān)測與設(shè)定等等…）。4.2編程語言介紹PLC的控制是由程序?qū)崿F(xiàn)的。目前PLC常用的編程語言有：梯形圖語言、助指令表語言、功能圖語言、順序功能圖語言、高級編程語言等，這里僅作簡單介紹。梯形圖是最流行的圖形編程語言，被稱作為PLC的第一編程語言。梯形圖語言直觀，邏輯關(guān)系簡易，是電氣技術(shù)人員很流行的語言。左母線圖4-2-1梯形圖WPLSoft2.37用戶提供了梯形圖、指令語句、SFC圖三種編程模式，而且三種模式的程序段可以互相轉(zhuǎn)化。這次的設(shè)計(jì)PLC程序采用了梯形圖的形式。4.3PLC程序分析4.3.1I/O地址表分配經(jīng)分析系統(tǒng)總共需要輸入點(diǎn)（X）8個(gè)，輸出點(diǎn)（Y）12個(gè)。其中伺服電機(jī)驅(qū)動需要3個(gè)脈沖輸出點(diǎn)，在配置I/O點(diǎn)是要將主機(jī)上的脈沖輸出點(diǎn)預(yù)留。I/O地址表如下：PLC軟地址說明PLC軟地址說明M0作為原點(diǎn)回歸開關(guān)M10驅(qū)動器啟動開關(guān)M1正轉(zhuǎn)10圈開關(guān)M11驅(qū)動器異常復(fù)位開關(guān)M2反轉(zhuǎn)10圈開關(guān)M12暫停輸出開關(guān)（PLC脈沖暫停輸出）M3坐標(biāo)600000開關(guān)M13驅(qū)動器緊急停止開關(guān)M4坐標(biāo)-600000開關(guān)X0正轉(zhuǎn)極限傳感器X1反轉(zhuǎn)極限傳感器Y6驅(qū)動器啟動信號X4原點(diǎn)信號傳感器Y7伺服異常復(fù)位信號X3驅(qū)動器的啟動準(zhǔn)備完畢信號（M20）Y2伺服電機(jī)正轉(zhuǎn)禁止信號X10驅(qū)動器的零速度信號（M21）Y3伺服電機(jī)反轉(zhuǎn)禁止信號X5驅(qū)動器的原點(diǎn)回歸完成信號（M22）Y5驅(qū)動器緊急停止信號X6驅(qū)動器的目標(biāo)位置信號（M23）M20驅(qū)動器啟動完畢X7驅(qū)動器的異常報(bào)警信號（M24）M21驅(qū)動器零速度狀態(tài)Y0給驅(qū)動器脈沖信號輸出M22驅(qū)動器原點(diǎn)回歸完成狀態(tài)Y1伺服電機(jī)旋轉(zhuǎn)方向信號輸出M23驅(qū)動器目標(biāo)到達(dá)位置狀態(tài)Y4清除驅(qū)動器脈沖計(jì)數(shù)寄存器信號M24驅(qū)動器異常報(bào)警狀態(tài)M16上電開關(guān)1M17上電開關(guān)24.4PLC程序調(diào)試本系統(tǒng)的定位精度主要取決于伺服系統(tǒng)，因此伺服系統(tǒng)的定位準(zhǔn)確性是本系統(tǒng)的關(guān)鍵，本系統(tǒng)采用了絕對和原點(diǎn)回歸，原點(diǎn)由1個(gè)限位開關(guān)組成也可以叫HOME點(diǎn)，保持常開狀態(tài)，兩頭各有一個(gè)限位開關(guān)防止伺服電機(jī)跑出導(dǎo)軌之外。X0，X1伺服限位保護(hù)。伺服Y0Y1是為程序的脈沖輸出+方向。組件說明中作為按鈕和伺服狀態(tài)顯示的M是利用臺達(dá)dop-a人機(jī)界面來設(shè)計(jì)。程序說明如下：（1）在觸摸屏上按下上電，M16=ON，Y10=On,KM1線圈吸合，給伺服上電，伺服上電之后，驅(qū)動器無警報(bào)信號，X3=On，，再按下啟動按鈕，M10=On伺服啟動，（2）觸摸屏按下原點(diǎn)回歸開關(guān)時(shí)，M0=On伺服執(zhí)行DZRN原點(diǎn)回歸動作語句，當(dāng)DOG信號X4由Off→On變化時(shí)，伺服以的寸動速度回歸原點(diǎn)，當(dāng)DOG信號由On→Off變化時(shí)，伺服電動機(jī)停止運(yùn)轉(zhuǎn)，回歸原點(diǎn)完成，復(fù)位程序中使用了臺達(dá)內(nèi)部繼電器M1029來復(fù)位，保證一個(gè)定位動作完成，該定位指令的執(zhí)行條件變?yōu)閛ff，保證下一次按下定位執(zhí)行相關(guān)開關(guān)時(shí)定位動作能正確執(zhí)行。（3）按下正向傳動10圈按鈕，M1=On伺服電動機(jī)執(zhí)行正轉(zhuǎn)動作，伺服電動機(jī)正方向旋轉(zhuǎn)10圈后停止運(yùn)轉(zhuǎn)（4）按下反向傳動10圈按鈕，M2=On伺服電動機(jī)執(zhí)反轉(zhuǎn)動作，伺服電動機(jī)反方向旋轉(zhuǎn)10圈后停止運(yùn)轉(zhuǎn)（5）按下600000按鈕，M3=On伺服電動機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，到達(dá)絕對目標(biāo)位置600000處后停止轉(zhuǎn)動（6）按下-600000開關(guān)，M4=On伺服電動機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，反轉(zhuǎn)到達(dá)絕對目標(biāo)位置-600000處后停止轉(zhuǎn)動（7）若工作臺面觸到正向極限傳感器時(shí)X0=On，Y2=On伺服電動機(jī)禁止正轉(zhuǎn)，且伺服異常報(bào)警燈亮（M24=On）（8）若工作臺面觸到反向極限傳感器時(shí)X1=On，Y3=On伺服電動機(jī)禁止正轉(zhuǎn)，且伺服異常報(bào)警燈亮（M24=On）（9）當(dāng)出現(xiàn)伺服異常報(bào)警后，按下伺服異常復(fù)位按鈕，M11=On伺服異常報(bào)警信息解除，警報(bào)解除之后，伺服才能繼續(xù)執(zhí)行原點(diǎn)回歸和定位的動作（10）按下PLC脈沖暫停輸出開關(guān)，M12=On時(shí)，PLC暫停輸出脈沖，脈沖輸出個(gè)數(shù)會保持在寄存器內(nèi)，當(dāng)M12=Off時(shí)，在原來輸出個(gè)數(shù)基礎(chǔ)上繼續(xù)輸出未完成的脈沖（11）按下伺服緊急停止按鈕，M13=On伺服立即停止運(yùn)轉(zhuǎn)，即使定位距離尚未到達(dá)，但是這個(gè)不同于脈沖暫停輸出，伺服將不會跑完未完成的距離（12）程序中使用的臺達(dá)內(nèi)部繼電器M1021是保證伺服完成原點(diǎn)回歸動作時(shí)，自動控制輸出一個(gè)的伺服脈沖計(jì)數(shù)計(jì)時(shí)器清零信號，使伺服面板顯示的數(shù)值為0(對應(yīng)伺服PO-02參數(shù)需設(shè)置為0)5HMI程序設(shè)計(jì)臺達(dá)電子人機(jī)界面DOP-B系列在WINDOWS操作系統(tǒng)環(huán)境下所使用的畫面編輯軟件。其功能強(qiáng)大，可用于多種廠牌的PLC；便利的宏指令；可以使用USB快速上下載程序；強(qiáng)大的模擬功能等等。5.1HMI程序的畫面圖5-1-1人機(jī)界面首頁圖5-1-2人機(jī)界面主控畫面圖5-1-3人機(jī)界面絕對定位畫面圖5-1-4人機(jī)界面微調(diào)過程畫面圖5-1-5人機(jī)界面原點(diǎn)回歸畫面6結(jié)論通過這次的畢業(yè)設(shè)計(jì)后，對伺服PLC相關(guān)知識有了更深的了解。以前總以為軟件和硬件有著天壤之別，經(jīng)過這段時(shí)間的實(shí)踐設(shè)計(jì)，我懂得了其實(shí)它們也沒什么不一樣，只要做事努力認(rèn)真、細(xì)心加大膽。面對這樣一個(gè)從沒涉及的東西，我從起初的無從下手，到一步步的完善它的功能，期間的努力和收獲都是之前從未想象過的。對于一個(gè)即將畢業(yè)的我來說，這將是大學(xué)生涯最完美的句點(diǎn)，并成為我日后學(xué)習(xí)和生活的全新起點(diǎn)。在系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和操作過程中，我遇到的第一個(gè)難點(diǎn)就是驅(qū)動器的參數(shù)設(shè)置和調(diào)試。由于對于其知識的缺乏，一開始總是無法設(shè)置成功。在反復(fù)斟酌臺達(dá)驅(qū)動器使用手冊后，我起先學(xué)會了簡單的參數(shù)設(shè)置和調(diào)試，一步步實(shí)現(xiàn)功能，在簡單的基礎(chǔ)上慢慢的疊加其功能，并使之逐步完善，在不斷地總結(jié)后獲得成功。最終調(diào)試成功。第二個(gè)難點(diǎn)就是伺服系統(tǒng)的電氣原理圖接線的設(shè)計(jì)，開始不知如何下手，不僅是電氣元件的布局，接線方式都要考慮清楚。參考文獻(xiàn)［1］張宏兵，田奇.小型自動化立體庫的應(yīng)用.長安大學(xué)學(xué)報(bào).2004,06.21,2.52-57［2］張維君，索世文，牛軍.PLC在自動化立體庫倉庫控制系統(tǒng)中的應(yīng)用.機(jī)械設(shè)計(jì)與制造.2004,04.2.54-58［3］郁漢琪主編.電氣控制與可編程序控制器應(yīng)用技術(shù).東南大學(xué)出版社2003.6［4］中達(dá)電通股份有限公司.臺達(dá)DVP40EH00T2系列PLC使用手冊［5］中達(dá)電通股份有限公司.臺達(dá)DVP40EH00T2系列PLC編程手冊［6］中達(dá)電通股份有限公司.臺達(dá)DVP-PLC編程技巧大全［8］中達(dá)電通股份有限公司.臺達(dá)ASDA-AB伺服驅(qū)動器應(yīng)用技術(shù)手冊［9］陳嬋娟,薛愷.基于PLC的步進(jìn)電動機(jī)單雙軸運(yùn)動控制的實(shí)現(xiàn).機(jī)械設(shè)計(jì)與制造.2009(3).［10］楊華，李欣，鐘敏.自動化立體倉庫堆垛機(jī)揀選作業(yè)調(diào)度研究.起重運(yùn)輸機(jī)械.2005-3,23-26［11］魯曉春.倉庫自動化.清華大學(xué)出版社.2002.6-8［12］中達(dá)電通股份有限公司.臺達(dá)DOP-B系列HMI使用手冊［13］李伊松.我國倉庫現(xiàn)狀與自動化倉庫技術(shù)物流現(xiàn)代化.2002,1,43.44［14］陳杰，黃鴻編.傳感器與檢測技術(shù).高等教育出版社.2002，8［15］GeorgeJee,ConEdison,RamDasRao,YehudaCern,AmbientCorporation,DemonstrationoftheTechnicalViabilityofPLCSystemsonMedium-andLow-VoltageLinesintheUnitedStates,CommunicationsMagazine,IEEE,May2003,P108［16］]Heyongyi.AControlSystemofMaterialHandlinginFMS.Journalofshanghaiuniversity.Vol.1.No.1.1997.[17]RenSheng-le.DevelopmentofPLC-basedTensionControlSystem.ChineseJournalofAeronautics20(2007)266-271致謝詞在我的老師的耐心指導(dǎo)下才完成這次設(shè)計(jì)，老師在我的學(xué)業(yè)和設(shè)計(jì)（論文）的指導(dǎo)工作中無不傾注著導(dǎo)師辛勤的汗水和心血。李老師的這種嚴(yán)謹(jǐn)教學(xué)態(tài)度、無私奉獻(xiàn)的精神使我深受的感動。從尊敬的導(dǎo)師身上，我不僅學(xué)到了寬廣的專業(yè)知識，更學(xué)到了做人的道理。在此我要向我的導(dǎo)師致以最衷心的感謝和深深的敬意。這幾個(gè)月以來，無論是收集相關(guān)資料還是啟發(fā)思考，我每一步的成長，一點(diǎn)一滴的收獲都傾注著導(dǎo)師的大量汗水和心血。導(dǎo)師淵博豐富而扎實(shí)的專業(yè)知識，耐心教學(xué)的態(tài)度給我留下了深刻的印象。此外，在畢業(yè)設(shè)計(jì)期間，也得到了同學(xué)的全力幫助，在此特別表示感謝。最后，向所有關(guān)心和幫助過我的領(lǐng)導(dǎo)、老師、同學(xué)和朋友致予真切的謝意！衷心地感謝在百忙之中評閱我的畢業(yè)設(shè)計(jì)和參加答辯的各位老師！附錄附錄一電氣原理圖附錄二PLC程序附錄三實(shí)物圖片實(shí)物圖一實(shí)物圖二實(shí)物圖三畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）任務(wù)書I、畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)題目：基于臺達(dá)PLC控制伺服系統(tǒng)定位的制作業(yè)設(shè)計(jì)(論文)使用的原始資料(數(shù)據(jù))及設(shè)計(jì)技術(shù)要求：1.以臺達(dá)DVP系列PLC為基礎(chǔ)設(shè)計(jì)一個(gè)平臺定位系統(tǒng)。2.控制器能控制電機(jī)進(jìn)行定位、原點(diǎn)返回、絕對定位、相對定位等操作。3.控制系統(tǒng)是由電源電路、PLC控制系統(tǒng)、伺服系統(tǒng)，外部信號電路四大模塊組成。4.控制器在運(yùn)行每個(gè)程序時(shí)，相應(yīng)的指示燈會亮，觸發(fā)限位，報(bào)警時(shí)電機(jī)停止。業(yè)設(shè)計(jì)(論文)工作內(nèi)容及完成時(shí)間：工作安排如下：1.查閱文獻(xiàn)，翻譯英文資料，書寫開題報(bào)告。第14周2.相關(guān)資料的獲取和必要知識的學(xué)習(xí)。第59周3.設(shè)計(jì)系統(tǒng)的硬件和軟件模塊并調(diào)試。第10--14周4.撰寫論文。第15--16周5.總結(jié)，準(zhǔn)備答辯。第17--18周要參考資料：［1］中達(dá)電通股份有限公司.臺達(dá)DVP40EH00T2系列PLC使用手冊［2］郁漢琪主編.電氣控制與可編程序控制器應(yīng)用技術(shù).東南大學(xué)出版社2003.6[3］中達(dá)電通股份有限公司.臺達(dá)ASDA-AB伺服驅(qū)動器應(yīng)用技術(shù)手冊［4］中達(dá)電通股份有限公司.臺達(dá)DVP-PLC編程技巧大全［5］中達(dá)電通股份有限公司.臺達(dá)DOP-B系列HMI使用手冊［6］Heyongyi.AControlSystemofMaterialHandlinginFMS.Journalofshanghaiuniversity.Vol.1.No.1.1997.[7]RenSheng-le.DevelopmentofPLC-basedTensionControlSystem.ChineseJournalofAeronautics20(2007)266-271畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）中英文資料題目PLC控制伺服電機(jī)準(zhǔn)確定位的方法專業(yè)名稱班級學(xué)號學(xué)生姓名指導(dǎo)教師PLC控制伺服電機(jī)準(zhǔn)確定位的方法2011年07月12日現(xiàn)代電子技術(shù)作者：李寧關(guān)鍵字：PLC控制(20)伺服電機(jī)(19)準(zhǔn)確定位(2)在自動化生產(chǎn)、加工和控制過程中，經(jīng)常要對加工工件的尺寸或機(jī)械設(shè)備移動的距離進(jìn)行準(zhǔn)確定位控制。這種定位控制僅僅要求控制對象按指令進(jìn)入指定的位置，對運(yùn)動的速度無特殊要求，例如生產(chǎn)過程中的點(diǎn)位控制(比較典型的如臥式鏜床、坐標(biāo)鏜床、數(shù)控機(jī)床等在切削加工前刀具的定位)，倉儲系統(tǒng)中對傳送帶的定位控制，機(jī)械手的軸定位控制等等。在定位控制系統(tǒng)中常使用交流異步電機(jī)或步進(jìn)電機(jī)等伺服電機(jī)作為驅(qū)動或控制元件。實(shí)現(xiàn)定位控制的關(guān)鍵則是對伺服電機(jī)的控制。由于可編程控制器(PLC)是專為在工業(yè)環(huán)境下應(yīng)用而設(shè)計(jì)的一種工業(yè)控制計(jì)算機(jī)，具有抗干擾能力強(qiáng)、可靠性極高、體積小等顯著優(yōu)點(diǎn)，是實(shí)現(xiàn)機(jī)電一體化的理想控制裝置。本文旨在闡述利用PLC控制伺服電機(jī)實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確定位的方法，介紹控制系統(tǒng)在設(shè)計(jì)與實(shí)施中需要認(rèn)識與解決的若干問題，給出了控制系統(tǒng)參考方案及軟硬件結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)思路，對于工業(yè)生產(chǎn)中定位控制的實(shí)現(xiàn)具有較高的實(shí)用與參考價(jià)值。1利用PLC的高速計(jì)數(shù)器指令和旋轉(zhuǎn)編碼器控制三相交流異步電機(jī)實(shí)現(xiàn)的準(zhǔn)確定位1.1系統(tǒng)工作原理PLC的高速計(jì)數(shù)器指令和編碼器的配合使用，在現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)自動控制中可實(shí)現(xiàn)精確定位和測量長度。目前，大多數(shù)PLC都具有高速計(jì)數(shù)器功能，例如西門子S7-200系列CPU226型PLC有6個(gè)高速計(jì)數(shù)器。高速計(jì)數(shù)器可以對脈寬小于PLC主機(jī)掃描周期的高速脈沖準(zhǔn)確計(jì)數(shù)，不需要增加特殊功能單元就可以處理頻率高達(dá)幾十或上百kHz的脈沖信號。旋轉(zhuǎn)編碼器則可以將電動機(jī)軸上的角位移轉(zhuǎn)換成脈沖值。利用PLC的高速計(jì)數(shù)器指令和編碼器控制三相交流異步電機(jī)實(shí)現(xiàn)的準(zhǔn)確定位控制系統(tǒng)，其原理是通過與電動機(jī)同軸相連的光電旋轉(zhuǎn)編碼器將電機(jī)角位移轉(zhuǎn)換成脈沖值，經(jīng)由PLC的高速計(jì)數(shù)器來統(tǒng)計(jì)編碼器發(fā)出的脈沖個(gè)數(shù)，從而實(shí)現(xiàn)定位控制。1.2設(shè)計(jì)與實(shí)施以對傳輸帶的定位控制設(shè)計(jì)為例加以說明。現(xiàn)需要用傳輸帶運(yùn)送貨物，從貨物運(yùn)送起點(diǎn)到指定位置(終點(diǎn))的距離為10cm?，F(xiàn)要求當(dāng)傳輸帶上的貨物運(yùn)行10cm后，傳輸帶電機(jī)停止運(yùn)行。該系統(tǒng)硬件設(shè)置主要包括西門子S7-200CPU226型PLC、傳輸帶電機(jī)(三相交流異步電機(jī))、OMRON的E6A2-CW5W光電旋轉(zhuǎn)編碼器、松下VFO系列BFV00042GK變頻器等。該系統(tǒng)的工作原理是將光電編碼器的機(jī)械軸和傳動輥(由三相交流異步電機(jī)拖動)同軸相連，通過傳動輥帶動光電編碼器機(jī)械軸轉(zhuǎn)動，輸出脈沖信號，利用PLC的高速計(jì)數(shù)器指令對編碼器產(chǎn)生的脈沖(采用A相脈沖)個(gè)數(shù)進(jìn)行計(jì)數(shù)，當(dāng)高速計(jì)數(shù)器的當(dāng)前值等于預(yù)置值時(shí)產(chǎn)生中斷，經(jīng)變頻器控制電動機(jī)停止運(yùn)行，從而實(shí)現(xiàn)傳輸帶運(yùn)行距離的準(zhǔn)確定位控制。很顯然，該控制系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確定位控制的關(guān)鍵是對PLC的高速計(jì)數(shù)器的預(yù)置值進(jìn)行設(shè)置，高速計(jì)數(shù)器的預(yù)置值即為傳輸帶運(yùn)行10cm時(shí)光電編碼器產(chǎn)生的脈沖數(shù)。該脈沖數(shù)值與傳輸帶運(yùn)行距離、光電編碼器的每轉(zhuǎn)脈沖數(shù)以及傳動輥直徑等參數(shù)有關(guān)。該脈沖數(shù)可以通過實(shí)驗(yàn)測量也可通過計(jì)算得出。計(jì)算得出傳輸帶運(yùn)行10cm對應(yīng)的脈沖數(shù)為：脈沖數(shù)=[(傳動輥直徑(mm)×π÷(脈沖數(shù)/轉(zhuǎn))]×傳送帶運(yùn)行距離(mm)該系統(tǒng)通過計(jì)算得出脈沖數(shù)為100，則高速計(jì)數(shù)器的預(yù)置值即為100。參考程序如圖1所示。

在子程序中，將高速計(jì)數(shù)器HSC0設(shè)置為模式1，即單路脈沖輸入內(nèi)部方向控制的增/減計(jì)數(shù)器。無啟動輸入，使用復(fù)位輸入。系統(tǒng)開始運(yùn)行時(shí)，調(diào)用子程序HSC_INIT，其目的是初始化HSC0，將其控制字節(jié)SMB37數(shù)據(jù)設(shè)置為16#F8，對高速計(jì)數(shù)器寫入當(dāng)前值和預(yù)置值，同時(shí)通過中斷連接指令A(yù)TCH將中斷事件12(即高速計(jì)數(shù)器的當(dāng)前值等于預(yù)置值中斷)和中斷服務(wù)程序COUNT_EQ連接起來，并執(zhí)行ENI指令，全局開中斷。當(dāng)高速計(jì)數(shù)器的當(dāng)前值等于預(yù)置值時(shí)，執(zhí)行中斷服務(wù)程序，將SMD42的值清零，再次執(zhí)行HSC指令重新對高速計(jì)數(shù)器寫入當(dāng)前值和預(yù)置值，同時(shí)使M0.0置位，電動機(jī)停止運(yùn)行。2利用PLC的高速脈沖指令控制步進(jìn)電機(jī)實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確定位2.1系統(tǒng)工作原理步進(jìn)電機(jī)因其具有結(jié)構(gòu)簡單、控制方便、轉(zhuǎn)動慣量低、定位精度高、無累積誤差和成本低廉等優(yōu)點(diǎn)而成為工業(yè)控制的主要執(zhí)行元件，尤其是在精確定位場合中得到廣泛應(yīng)用。在工業(yè)生產(chǎn)中，步進(jìn)電機(jī)和生產(chǎn)機(jī)械的連接有很多種，常見的一種是步進(jìn)電機(jī)和絲杠連接，將步進(jìn)電機(jī)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動轉(zhuǎn)變成工作臺面的直線運(yùn)動。當(dāng)需要對工作臺面移動距離進(jìn)行定位控制時(shí)，只需要控制步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速和角位移大小即可。在非超載的情況下，步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速和角位移只取決于脈沖信號的頻率和脈沖數(shù)。它輸出的角位移與輸入的脈沖數(shù)成正比，轉(zhuǎn)速與脈沖頻率成正比。改變繞組通電的相序，則可以實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)反轉(zhuǎn)。目前世界上主要的PLC廠家生產(chǎn)的PLC均有專門的高速脈沖輸出指令，可以很方便地和步進(jìn)電機(jī)構(gòu)成運(yùn)動定位控制系統(tǒng)。由PLC高速脈沖指令控制步進(jìn)電機(jī)實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確定位的實(shí)質(zhì)是PLC通過高速脈沖輸出指令PTO/PWM輸出高速脈沖信號，經(jīng)步進(jìn)電機(jī)脈沖細(xì)分驅(qū)動器控制步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)行，從而推動工作臺移動到達(dá)指定的位置，實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確定位。工作臺移動的距離與PLC脈沖數(shù)之間的關(guān)系為：式中：N為PLC發(fā)出的控制脈沖的個(gè)數(shù);n為步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器的脈沖細(xì)分?jǐn)?shù)(如果步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器有脈沖細(xì)分驅(qū)動);θ為步進(jìn)電機(jī)的布距角，即步進(jìn)電機(jī)每收到一個(gè)脈沖變化，軸所轉(zhuǎn)過的角度;d為絲杠的螺紋距，它決定了絲杠每轉(zhuǎn)過一圈，工作臺面前進(jìn)的距離;δ為脈沖當(dāng)量(定位精度);i為傳動速比;L為工作臺移動的距離。顯然，利用PLC控制步進(jìn)電機(jī)實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確定位的關(guān)鍵是對PLC產(chǎn)生的脈沖數(shù)的設(shè)定。而脈沖數(shù)與脈沖當(dāng)量、傳動速比、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器的細(xì)分?jǐn)?shù)以及脈沖頻率等都有關(guān)。2.2設(shè)計(jì)與實(shí)施以貨物倉儲系統(tǒng)中的對直線導(dǎo)軌的定位控制設(shè)計(jì)為例加以說明。在倉儲系統(tǒng)中，要求由步進(jìn)電機(jī)拖動直線導(dǎo)軌將料塊送到指定的倉庫門口。假設(shè)從起點(diǎn)到終點(diǎn)的運(yùn)送距離為100mm，即要求由步進(jìn)電機(jī)帶動導(dǎo)軌作直線運(yùn)動，定位距離為100mm。為實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確定位，系統(tǒng)采用西門子S7-200系列CPU226型PLC、四通57BYG250C混合式步進(jìn)電機(jī)和森創(chuàng)SH-20403步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器等設(shè)備。其中CPU226型PLC的CPU有兩個(gè)脈沖發(fā)生器，分別是Q0.0端子和Q0.1端子。這兩個(gè)端子均可輸出PTO/PWM高速脈沖信，脈沖頻率可達(dá)20kHz。根據(jù)控制要求，系統(tǒng)擬采用高速脈沖串輸出PTO功能，PTO功能可輸出一定脈沖個(gè)數(shù)和占空比為50%的方波信號。輸出脈沖的周期以μs或ms為增量單位。PTO功能允許多個(gè)脈沖串排隊(duì)輸出，從而形成流水線。流水線分為兩種：單段流水線和多段流水線。為了消除電機(jī)的低頻振蕩，提高分辨率，采用了步進(jìn)電機(jī)細(xì)分驅(qū)動器，驅(qū)動步距角為0.9°/1.8°，脈沖細(xì)分?jǐn)?shù)設(shè)定為4。為保證速度和定位精度要求，步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行一般要經(jīng)歷三個(gè)過程，即啟動加速、恒速運(yùn)行和接近定位點(diǎn)時(shí)的減速運(yùn)行。為了維護(hù)步進(jìn)電機(jī)以及驅(qū)動設(shè)備，要求驅(qū)動脈沖頻率也線性增大，所以，本定位控制系統(tǒng)采用多管線操作，控制電機(jī)的運(yùn)行過程。設(shè)直線導(dǎo)軌起始位置在A點(diǎn)，現(xiàn)欲從A點(diǎn)移至D點(diǎn)，其中AD=100mm。定位精度只與步進(jìn)電機(jī)脈沖當(dāng)量有關(guān)，取脈沖當(dāng)量為0.11mm/脈沖，則需要900個(gè)脈沖完成定位。步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行過程中，要從A點(diǎn)加速到B點(diǎn)后恒速運(yùn)行，又從C點(diǎn)開始減速到D點(diǎn)完成定位過程用200個(gè)脈沖完成升頻加速，500個(gè)脈沖恒速運(yùn)行，200個(gè)脈沖完成降頻減速。如圖2所示。因此確定PTO為3段脈沖管線(AB，BC，CD)。設(shè)最大脈沖頻率為1kHz，將16#A0寫入控制字節(jié)SMB67，允許多段PTO脈沖輸出，時(shí)基為μs級，建立3段脈沖的包絡(luò)表并對各段參數(shù)分別設(shè)置，給定段的周期增量按下式計(jì)算：給定段的周期增量=(該段結(jié)束時(shí)的周期值-該段初始的周期值)/該段脈沖數(shù)包絡(luò)表結(jié)構(gòu)如表1所示。參考程序如圖3所示。這種控制方式屬于對步進(jìn)電機(jī)的一種開環(huán)控制，其優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單、成本低、定位準(zhǔn)確、易于實(shí)現(xiàn)等。2.3控制系統(tǒng)在設(shè)計(jì)與實(shí)施過程中的注意事項(xiàng)(1)PLC類型的選擇。首先，PLC必須是可以輸出高速脈沖的晶體管輸出形式。其次，PLC輸出最高脈沖頻率大小必須滿足控制要求。(2)步進(jìn)電機(jī)脈沖細(xì)分驅(qū)動器的選擇及參數(shù)設(shè)置。(3)步進(jìn)電動機(jī)的選擇。首先考慮的是步進(jìn)電動機(jī)的類型選擇，其次才是品種選擇，根據(jù)系統(tǒng)要求，確定步進(jìn)電動機(jī)的電壓值、電流值以及有無定位轉(zhuǎn)矩和使用螺栓機(jī)構(gòu)的定位裝置，從而就可以確定步進(jìn)電動機(jī)的相數(shù)和拍數(shù)。在進(jìn)行步進(jìn)電動機(jī)的品種選擇時(shí)，要綜合考慮速比i、軸向力F、負(fù)載轉(zhuǎn)矩Ti、額定轉(zhuǎn)矩TN和運(yùn)行頻率fy，以確定步進(jìn)電機(jī)的具體規(guī)格和控制裝置。(4)脈沖當(dāng)量的計(jì)算。3利用PLC的其他方式實(shí)現(xiàn)的準(zhǔn)確定位3.1利用PLC的PID指令及軟、硬件配合實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確定位例如在氣缸精確定位控制系統(tǒng)中，由PLC、電磁閥、光柵尺、氣缸組成一個(gè)閉環(huán)控制系統(tǒng)。其中PLC作為控制運(yùn)算中心，光柵尺作為檢測裝置檢測氣缸活塞移動量，并將檢測結(jié)果通過PLC的模擬量輸入端子反饋到PLC內(nèi)部，與設(shè)定值比較，并進(jìn)行PID調(diào)節(jié)，PID運(yùn)算結(jié)果通過PLC的繼電器輸出接口驅(qū)動交流或直流電磁閥，由電磁閥的開關(guān)改變氣缸活塞移動的流量，使氣缸準(zhǔn)確運(yùn)動到目標(biāo)位置，達(dá)到準(zhǔn)確定位的目的。3.2利用PLC的EM253模塊實(shí)現(xiàn)的準(zhǔn)確定位EM253位控模塊是S7-200的特殊功能模塊，它能夠產(chǎn)生脈沖串，用于步進(jìn)電機(jī)和伺服電機(jī)的速度和位置開環(huán)控制。它與S7-200系列PLC通過擴(kuò)展的I/O總線通訊。它帶有八個(gè)數(shù)字輸出，在I/O的組態(tài)中作為智能模塊，可提供單軸、開環(huán)移動控制所需要的功能和性能。提供高速控制，12～200000脈沖/s。STEP7-Micro/WIN為位置控制模塊的組態(tài)和編程提供了位置控制向?qū)?，可以生成組態(tài)/包絡(luò)表和位置控制指令，配置EM253的運(yùn)動參數(shù)、運(yùn)動軌跡包絡(luò)等。4結(jié)語實(shí)踐證明，本文提出的由PLC、旋轉(zhuǎn)編碼器、伺服電機(jī)等組成的準(zhǔn)確定位控制系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡單、性價(jià)比高、易于實(shí)現(xiàn)等優(yōu)點(diǎn)，可廣泛地應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)及軍事領(lǐng)域。如板材的精確定長切割、軍用雷達(dá)定位系統(tǒng)，絲網(wǎng)印刷機(jī)停機(jī)控制、以及在數(shù)控機(jī)床、物料計(jì)量、送膜包裝等用異步電機(jī)或步進(jìn)電機(jī)實(shí)現(xiàn)的定位控制領(lǐng)域有一定的實(shí)用和參考價(jià)值。PLCcontrolmethodaccuratepositioningservomotoronJuly12,2011ofthemodernelectronictechnology:LiNingKeywords:PLCcontrol(20)servomotor(19)accuratepositioning(2)Inautomatedproduction,processingandcontrolprocess,oftentothesizeordistanceofmovingmachineryandequipmentforaccurateworkpiecepositioningcontrol.Thispositioningcontroljustbeforecontrolobjectsrequiredbytheinstructionstoenterthespecifiedlocationonthespeedofmovement,nospecialrequirements,suchastheproductionprocesspointcontrol(suchasthetypicalhorizontalboringmachines,coordinateboringmachine,CNCmachinetoolsinmachiningpositioningofthetool),storagesystemsforpositioningconveyorcontrol,robotaxispositioningcontrolandsoon.UsingACinductionmotorsorsteppermotorservomotorpositioningcontrolsystemoftenasdrivingorcontrolelements.Thekeyistoachievepositioningcontrolservomotorcontrol.Duetotheprogrammablecontroller(PLC)isacomputerdesignedforindustrialcontrolapplicationsinindustrialenvironments,withastronganti-interferenceability,highreliability,smallsizeandothersignificantadvantages,theidealistoachievecontrolofmechatronicsdevices.ThispaperdescribestheuseofPLCcontrolservomotortoachieveaccuratepositioningmethod,introducedinthedesignandimplementationofcontrolsystemsneedtorecognizeandresolveanumberofissues,giventhedesignideasandthecontrolsystemhardwareandsoftwarestructureofthereferencescenario,theindustrialproductionachievepositioningcontrolwithhighpracticalreferencevalue.Ahigh-speedcounterinstructionusingPLCandrotaryencodercontrolandaccuratepositioningtoachievethethree-phaseACinductionmotor1.1SystemWorksHigh-speedcounterinstructionandencodersusedinconjunctionwiththePLC,inmodernindustrialproductionautomaticcontrolforprecisepositioningandmeasuringlength.Currently,mostofthePLChavehigh-speedcounterfunctions,suchastheSiemensS7-200seriesPLCCPU226typehassixhigh-speedcounters.High-speedcountercanhostPLCscancyclepulsewidthoflessthanahigh-speedpulseaccuratecount,noadditionalspecialfunctionunitscanhandlefrequenciesuptotensorhundredsofkHzpulsesignal.Therotaryencodercanbeangulardisplacementofthemotorshaftisconvertedintoapulsevalue.Theuseofhigh-speedcounterinstructionPLCandencodercontrolaccuratepositioningcontrolsystemtoachieveathree-phaseACinductionmotor,theprincipleisconnectedviacoaxialmotorphotoelectricrotaryencoderconvertstheangulardisplacementofthemotorpulsevalue,thePLCviathehigh-speedcountertocountthenumberofpulsesemittedbytheencodertoachievepositioningcontrol.1.2DesignandImplementationInordertolocatethetransmissioncontroldesignwithanexampletoillustratethis.Nowneedtousethetransmissionbeltfortransportationofgoodstransportedfromthestartingpointtothespecifiedlocation(endpoint)was10cmfromthecargo.Whenthetransferisnowrequiredtobringthegoodstorun10cm,thetransmissionbeltmotorstopsrunning.ThesystemhardwaresettingsincludingSiemensS7-200CPU226typePLC,transferbeltmotor(three-phaseACinductionmotor),OMRON'sE6A2-CW5Wopticalrotaryencoders,PanasonicVFOseriesBFV00042GKinverters.Thesystemworksisthatthemechanicalaxisoftheopticalencoderandthedriveroller(three-phaseACinductionmotordrive)coaxiallyconnectedtotheopticalencoderdrivenbyadriverollermechanicalaxis,theoutputpulsesignal,theuseofhigh-speedcounterPLCinstructionsforgeneratingapulseencoder(usingtheA-phasepulse)tocountthenumberwhenthehigh-speedcountercurrentvalueequalsthepresetvalueinterruptisgeneratedbytheinvertertocontrolthemotorstopsrunning,inordertoachieveaccuratepositioningcontroltransmissionbeltrunningdistance.Obviously,thiscontrolsystemtoachieveaccuratepositioningcontrolisthekeytothePLChigh-speedcounterpresetvalueisset,thehigh-speedcounterpresetvalueisthenumberofpulsetransmissionbeltrun10cmgeneratedwhentheopticalencoder.Thepulsevalueandtheconveyorbeltrunningdistance,opticalencoderpulsesperrevolutionandthedriverollerdiameterandotherparameters.Thenumberofpulsescanbederivedbycalculationbyexperimentalmeasurements.Taperunningcalculatedpulsenumbercorrespondingto10cm:Pulses=[(driverollerdiameter(mm)×π÷(pulses/rev)]×conveyorbeltrunningdistance(mm)Thesystemisderivedbycalculatingthenumberofpulsesis100,thehigh-speedcounterpresetvalueis100.ReferenceprocedureshowninFigure1.Inthesubroutine,thehigh-speedcounterHSC0settoMode1,ieone-waydirectioncontrolpulseinputinternalup/downcounter.Nostartinput,resetinput.Thesystemisrunning,thesubroutinecallHSC_INIT,itspurposeistoinitializeHSC0,thecontroldataissettobyteSMB3716#F8,Writethecurrentvalueandthepresetvalueofthehigh-speedcounter,throughdisconnectcommandATCHinterruptevent12(ie,high-speedcountercurrentvalueequaltopresetinterrupt)andtheinterruptserviceroutineCOUNT_EQconnected,andtheENIinstruction,globalopeninterrupted.Whenthehigh-speedcountercurrentvalueequalsthepresetvalue,theinterruptserviceroutine,theclearvalueSMD42,theHSCinstructionisexecutedagaintore-writethecurrentvalueandthepresetvalueofthehigh-speedcounter,whiletheM0.0set,motorstopped.2high-speedpulsecommandusingPLCcontrolledsteppermotortoachieveaccuratepositioning2.1SystemWorksSteppermotorbecauseofitssimplestructure,easytocontrol,lowinertia,highpositioningaccuracy,nocumulativeerrorandlowcostadvantages,suchastheimplementationofamajorcomponentofindustrialcontrol,especiallyintheprecisepositioningofoccasionstogetawiderangeofapplications.Inindustrialproduction,steppermotorsandmechanicalconnectionofproductiontherearemanycommononeisasteppermotorandleadscrewconnection,therotarymotionofthesteppermotorintolinearmotioncountertops.Whenyouneedtomoveonfromtheworksurfaceforpositioningcontrol,onlyneedtocontrolthesteppermotorspeedandangulardisplacementsizecanbe.Inthecaseofnon-overloadingthesteppermotorspeedandtheangulardisplacementdependsonlyonthefrequencyandthepulsenumberofthepulsesignal.Thenumberofpulsesproportionaltotheangulardisplacementoftheoutputanditsinput,thepulsefrequencyisproportionaltotherotationalspeed.Changingthewindingsareenergizedphasesequence,youcanreversethesteppermotor.Currentlytheworld'smajormanufacturersofPLCPLChavededicatedhigh-speedpulseoutputinstruction,youcaneasilylocateandsteppingmotormotioncontrolsystem.Essenceofthehigh-speedpulsecommandPLCcontrolledsteppermotortoachieveaccuratepositioningofthePLCviahigh-speedpulseoutputinstructionPTO/PWMoutputspeedpulsesignal,thesteppermotorpulsesubdivisionsteppermotordrivecontroloperation,thuspromotingthetablemovestoreachspecifiedlocationtoachieveaccuratepositioning.TherelationshipbetweendistanceandnumberofpulsesPLCformobileworkbench:2high-speedpulsecommandusingPLCcontrolledsteppermotortoachieveaccuratepositioning2.1SystemWorksSteppermotorbecauseofits