西門子S7—200PLC在數(shù)字伺服電機(jī)控制中的應(yīng)用
首先了解plc如何控制伺服電機(jī)
1、 電機(jī)的連線及控制
2、電子齒輪比
數(shù)字交流伺服系統(tǒng)具有位置控制的功能，可通過上位控制器發(fā)出位置指令脈沖。而伺服系統(tǒng)的位置反饋脈沖當(dāng)量由編碼器的分辨率及電機(jī)每轉(zhuǎn)對(duì)應(yīng)的機(jī)械位移量等決定。當(dāng)指令脈沖當(dāng)量與位置反饋脈沖當(dāng)量二者不一致時(shí)，就需要使用電子齒輪使二者匹配。使用了電子齒輪功能，就可以任意決定一個(gè)輸入脈沖所相當(dāng)?shù)碾姍C(jī)位移量。具有電子齒輪功能的伺服系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3所示。若機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的螺距為w，指令脈沖當(dāng)量為△L，編碼器每轉(zhuǎn)脈沖數(shù)為P，又考慮到一般電機(jī)軸與傳動(dòng)絲杠為直接相連， 則位置反饋脈沖當(dāng)量△ =W／4P。
本例采用了西門子s7．200系列CPU226作為主控制器。它是s7．200系列中的高檔PLC，本機(jī)自帶24個(gè)數(shù)字輸人口、l6個(gè)數(shù)字輸出口及兩個(gè)RS-422／485串行通訊口，最多可擴(kuò)展7個(gè)應(yīng)用模塊 j。實(shí)際項(xiàng)目中，通過擴(kuò)展EM231模擬量輸入模塊來采集電壓信號(hào)，輸入的模擬信號(hào)可在0～10V±5V、0～20mA等多種信號(hào)輸入方式中選擇。最終，PLC根據(jù)輸入電壓信號(hào)的大小控制脈沖發(fā)送周期的長(zhǎng)短，從而達(dá)到控制伺服電機(jī)速度的目的。
3.1 高速數(shù)字脈沖輸出
西門子s7．200系列AC／DC／DC(交流供電，直流I/O)類型PLC上集成了兩個(gè)高速脈沖輸出口，兩個(gè)高速脈沖輸出口分別
通過Qo．0、Qo．1兩個(gè)輸出端子輸出，輸出時(shí)可選擇PWM(脈寬調(diào)制)和PIO(脈沖串)方式。PIO方式每次只能發(fā)出固定脈沖， 脈沖開始發(fā)送后直到發(fā)送完畢才能開始新的脈沖串；PWM方式相對(duì)靈活，在脈沖發(fā)送期間可隨時(shí)改變脈沖周期及寬度，其中脈沖周期可以選擇微秒級(jí)或毫秒級(jí)。
3.2 PID功能特性
以下應(yīng)用程序是經(jīng)過簡(jiǎn)化的，沒有涉及異常情況。其設(shè)計(jì)以本文前面所述方法及原理為依據(jù)，并給出了詳盡的程序注釋 。
4.1 主程序
NErW0RK 1
① IJD SM0．1
／／SM0．1=1僅第一次掃描有效
② MOVW +0，VW450
／／PID中斷計(jì)數(shù)器初始化
③ MOVB 100，SMB34
／／設(shè)置定時(shí)中斷時(shí)間間隔為lOOms
④ ATCH INT— PWM — PID ，10
／／設(shè)定中斷，啟動(dòng)PID執(zhí)行
⑤ ENI
1、 電機(jī)的連線及控制
本應(yīng)用實(shí)例選擇的是位置控制模式，脈沖輸入方式有集電極開路方式和差動(dòng)驅(qū)動(dòng)方式兩種，為了方便的實(shí)現(xiàn)同時(shí)對(duì)兩部電機(jī)的控制，采用差動(dòng)驅(qū)動(dòng)方式。與PLC的接線圖如圖所示。
PLC與伺服放大器接線圖
圖中L+為公共PLC端子，接24VDC正端，通過控制內(nèi)部晶體管的開關(guān)使得輸出Q呈現(xiàn)不同的電平信號(hào)或發(fā)出脈沖信號(hào)。L+一PG—P lM—L+為脈沖輸入回路，PLC控制該回路中的發(fā)光二極管的亮滅，形成脈沖編碼輸入。L+一NG—NP一1M— L+為電機(jī)旋轉(zhuǎn)方向控制回路，當(dāng)該回路的發(fā)光二極管點(diǎn)亮?xí)r，電機(jī)正轉(zhuǎn)，否則反轉(zhuǎn)。由于伺服放大器內(nèi)部電阻只有100歐，為
了防止電流過大燒壞內(nèi)部的發(fā)光二極管，需要外接電阻R，其阻值的計(jì)算如下：
根據(jù)公式(1)，可以選擇R=3．9KO
2、電子齒輪比
數(shù)字交流伺服系統(tǒng)具有位置控制的功能，可通過上位控制器發(fā)出位置指令脈沖。而伺服系統(tǒng)的位置反饋脈沖當(dāng)量由編碼器的分辨率及電機(jī)每轉(zhuǎn)對(duì)應(yīng)的機(jī)械位移量等決定。當(dāng)指令脈沖當(dāng)量與位置反饋脈沖當(dāng)量二者不一致時(shí)，就需要使用電子齒輪使二者匹配。使用了電子齒輪功能，就可以任意決定一個(gè)輸入脈沖所相當(dāng)?shù)碾姍C(jī)位移量。具有電子齒輪功能的伺服系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3所示。若機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的螺距為w，指令脈沖當(dāng)量為△L，編碼器每轉(zhuǎn)脈沖數(shù)為P，又考慮到一般電機(jī)軸與傳動(dòng)絲杠為直接相連， 則位置反饋脈沖當(dāng)量△ =W／4P。
具有電子齒輪功能的伺服系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖
由于脈沖當(dāng)量與反饋脈沖當(dāng)量不一定相等，就需要使用電子齒輪比來建立兩者的關(guān)系。具體計(jì)算公式為：AL=3M ×CMX / CDV
。因此根據(jù)一個(gè)指令脈沖的位置當(dāng)量和反饋脈沖的位置當(dāng)量，就可以確定具體的電子齒輪比。三菱該系列伺服電機(jī)的電子齒輪比的設(shè)定范圍
由于脈沖當(dāng)量與反饋脈沖當(dāng)量不一定相等，就需要使用電子齒輪比來建立兩者的關(guān)系。具體計(jì)算公式為：AL=3M ×CMX / CDV
。因此根據(jù)一個(gè)指令脈沖的位置當(dāng)量和反饋脈沖的位置當(dāng)量，就可以確定具體的電子齒輪比。三菱該系列伺服電機(jī)的電子齒輪比的設(shè)定范圍
對(duì)于輸入的脈沖，可以乘上其中任意倍率使機(jī)械運(yùn)行。
下面是plc控制私服的具體應(yīng)用
3、PI C控制原理及控制模型
本例采用了西門子s7．200系列CPU226作為主控制器。它是s7．200系列中的高檔PLC，本機(jī)自帶24個(gè)數(shù)字輸人口、l6個(gè)數(shù)字輸出口及兩個(gè)RS-422／485串行通訊口，最多可擴(kuò)展7個(gè)應(yīng)用模塊 j。實(shí)際項(xiàng)目中，通過擴(kuò)展EM231模擬量輸入模塊來采集電壓信號(hào)，輸入的模擬信號(hào)可在0～10V±5V、0～20mA等多種信號(hào)輸入方式中選擇。最終，PLC根據(jù)輸入電壓信號(hào)的大小控制脈沖發(fā)送周期的長(zhǎng)短，從而達(dá)到控制伺服電機(jī)速度的目的。
3.1 高速數(shù)字脈沖輸出
西門子s7．200系列AC／DC／DC(交流供電，直流I/O)類型PLC上集成了兩個(gè)高速脈沖輸出口，兩個(gè)高速脈沖輸出口分別
通過Qo．0、Qo．1兩個(gè)輸出端子輸出，輸出時(shí)可選擇PWM(脈寬調(diào)制)和PIO(脈沖串)方式。PIO方式每次只能發(fā)出固定脈沖， 脈沖開始發(fā)送后直到發(fā)送完畢才能開始新的脈沖串；PWM方式相對(duì)靈活，在脈沖發(fā)送期間可隨時(shí)改變脈沖周期及寬度，其中脈沖周期可以選擇微秒級(jí)或毫秒級(jí)。
3.2 PID功能特性
該系列PLC可以通過PID回路指令來進(jìn)行PID運(yùn)算，在一個(gè)程序中最多可以用8條PID指令，既最多可同時(shí)實(shí)現(xiàn)8個(gè)PID
控制算法。在實(shí)際程序設(shè)計(jì)中，可用STEP 7-Micro／Win 32中的PID向?qū)С绦騺硗瓿梢粋€(gè)閉環(huán)控制過程的PID算法，從而提高
程序設(shè)計(jì)效率。
控制算法。在實(shí)際程序設(shè)計(jì)中，可用STEP 7-Micro／Win 32中的PID向?qū)С绦騺硗瓿梢粋€(gè)閉環(huán)控制過程的PID算法，從而提高
程序設(shè)計(jì)效率。
3.3 控制模型
控制模型方框圖如下圖所示，其中Uset為極間電壓給定值(此時(shí)產(chǎn)氣狀態(tài)最佳)，Uf為極間電壓采樣值，Vout為伺服電機(jī)
運(yùn)轉(zhuǎn)速度。通過對(duì)電弧電壓采樣值與弧間電壓給定值的比較并經(jīng)過PLC的PID調(diào)節(jié)回路控制，可以得出用于控制伺服電機(jī)旋
轉(zhuǎn)的脈沖發(fā)送周期T，從而使伺服電機(jī)的送棒速度不停的得到調(diào)整，這樣就達(dá)到了控制兩極間距的目的。保證了兩極間距的
相對(duì)穩(wěn)定，也就保證了極間電壓的穩(wěn)定性。
運(yùn)轉(zhuǎn)速度。通過對(duì)電弧電壓采樣值與弧間電壓給定值的比較并經(jīng)過PLC的PID調(diào)節(jié)回路控制，可以得出用于控制伺服電機(jī)旋
轉(zhuǎn)的脈沖發(fā)送周期T，從而使伺服電機(jī)的送棒速度不停的得到調(diào)整，這樣就達(dá)到了控制兩極間距的目的。保證了兩極間距的
相對(duì)穩(wěn)定，也就保證了極間電壓的穩(wěn)定性。
PID調(diào)節(jié)控制原理框圖
根據(jù)極間距對(duì)極間電壓的影響，可以設(shè)定PLC的PID調(diào)節(jié)回路調(diào)整策略如下：
Uset—uf<0，T 減??；
Uset—uf>0，T增大。
通過上述控制方法，能夠比較精確的實(shí)現(xiàn)對(duì)UF的控制。
根據(jù)極間距對(duì)極間電壓的影響，可以設(shè)定PLC的PID調(diào)節(jié)回路調(diào)整策略如下：
Uset—uf<0，T 減??；
Uset—uf>0，T增大。
通過上述控制方法，能夠比較精確的實(shí)現(xiàn)對(duì)UF的控制。
4、程序設(shè)計(jì)
以下應(yīng)用程序是經(jīng)過簡(jiǎn)化的，沒有涉及異常情況。其設(shè)計(jì)以本文前面所述方法及原理為依據(jù)，并給出了詳盡的程序注釋 。
4.1 主程序
NErW0RK 1
① IJD SM0．1
／／SM0．1=1僅第一次掃描有效
② MOVW +0，VW450
／／PID中斷計(jì)數(shù)器初始化
③ MOVB 100，SMB34
／／設(shè)置定時(shí)中斷時(shí)間間隔為lOOms
④ ATCH INT— PWM — PID ，10
／／設(shè)定中斷，啟動(dòng)PID執(zhí)行
⑤ ENI
//開中斷
4．2 中斷程序
① NETWORK 1
LD SM0．0
／／SM0．0=1每個(gè)掃描周期都有效
I CW V VW450
／／調(diào)用中斷程序次數(shù)加1
② NETWORK 2
LDW > = VW450． + 10
／／檢查是否應(yīng)進(jìn)行PID計(jì)算
M0VW +0，VW450
／／如果如此，清計(jì)數(shù)器并繼續(xù)
N0T
JMP 0
／／否則，轉(zhuǎn)人中斷程序結(jié)尾
③ NETWORK 3
／／計(jì)算并裝載PID PV(過程變量)
ID SM0．0
RPS
4．2 中斷程序
① NETWORK 1
LD SM0．0
／／SM0．0=1每個(gè)掃描周期都有效
I CW V VW450
／／調(diào)用中斷程序次數(shù)加1
② NETWORK 2
LDW > = VW450． + 10
／／檢查是否應(yīng)進(jìn)行PID計(jì)算
M0VW +0，VW450
／／如果如此，清計(jì)數(shù)器并繼續(xù)
N0T
JMP 0
／／否則，轉(zhuǎn)人中斷程序結(jié)尾
③ NETWORK 3
／／計(jì)算并裝載PID PV(過程變量)
ID SM0．0
RPS
XORW VW464，VW464
／／清除工作區(qū)域
M0VW ArW0．VW466
／／讀取模擬數(shù)值
A V466．7
M0VW 16#FFFF．VW464
／／檢查符號(hào)位，若為負(fù)則擴(kuò)展符號(hào)
LRD
DTR VD464．VD396
／／將其轉(zhuǎn)化成實(shí)數(shù)并裝載人PV
LPP
／R 32000．0，VD396
／／正?；?．0至1．0之間的數(shù)值
④ NETWORK 4
ID SM0．0
MOVR VIM00，VIM00
／／VIM00為設(shè)定值
⑤
⑥ NETWORK 6
ID SM0．0
PID VB396，0
／／進(jìn)行PID計(jì)算
⑦ NETWORK 7
LD SM0．0
M0vR VD404．VD464
／／裝載PID輸出至工作區(qū)
+R VD400，VD464
*R 1000．0. VIM64
／／縮放數(shù)值
／／清除工作區(qū)域
M0VW ArW0．VW466
／／讀取模擬數(shù)值
A V466．7
M0VW 16#FFFF．VW464
／／檢查符號(hào)位，若為負(fù)則擴(kuò)展符號(hào)
LRD
DTR VD464．VD396
／／將其轉(zhuǎn)化成實(shí)數(shù)并裝載人PV
LPP
／R 32000．0，VD396
／／正?；?．0至1．0之間的數(shù)值
④ NETWORK 4
ID SM0．0
MOVR VIM00，VIM00
／／VIM00為設(shè)定值
⑤
⑥ NETWORK 6
ID SM0．0
PID VB396，0
／／進(jìn)行PID計(jì)算
⑦ NETWORK 7
LD SM0．0
M0vR VD404．VD464
／／裝載PID輸出至工作區(qū)
+R VD400，VD464
*R 1000．0. VIM64
／／縮放數(shù)值
TRUNC VD464,VD464
／／將數(shù)值轉(zhuǎn)化成整數(shù)
MOVW VW 466．VW 1000
／／VW1000為PLC輸出脈沖周期
⑧ NETWORK 8
／／伺服電機(jī)右反轉(zhuǎn)控制(PWM)
／／SMW68／78 lIFO周期值
／／SMW70／80 PWM脈沖寬度
／／SMD72／82 lIFO脈沖計(jì)數(shù)值
LD SM0．0
MOVB 16# D3．SMB77
／／輸出脈沖周期為500微秒
MOVW VW 1000，SMW 78
MOVW VW 1000．VW1 1 18
／I +2．VWl118
MOVW VW 1118．SMW 80
PIS 1
⑨ NETWORK 9
LBL 0
／／將數(shù)值轉(zhuǎn)化成整數(shù)
MOVW VW 466．VW 1000
／／VW1000為PLC輸出脈沖周期
⑧ NETWORK 8
／／伺服電機(jī)右反轉(zhuǎn)控制(PWM)
／／SMW68／78 lIFO周期值
／／SMW70／80 PWM脈沖寬度
／／SMD72／82 lIFO脈沖計(jì)數(shù)值
LD SM0．0
MOVB 16# D3．SMB77
／／輸出脈沖周期為500微秒
MOVW VW 1000，SMW 78
MOVW VW 1000．VW1 1 18
／I +2．VWl118
MOVW VW 1118．SMW 80
PIS 1
⑨ NETWORK 9
LBL 0
本例給出了利用西門子PLC的高速脈沖輸出及PID控制功能，實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)字式交流伺服電機(jī)進(jìn)行控制的原理及相應(yīng)編程方法。此控制方法已成功用于水燃?xì)馍a(chǎn)控制系統(tǒng)中，效果良好。
本文標(biāo)簽：西門子S7—200PLC在數(shù)字伺服電機(jī)控制中的應(yīng)用
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：13915946763
：南京塞姆泵業(yè)有限公司
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