S7-200 PLC在電動轉(zhuǎn)椅控制系統(tǒng)中的應(yīng)用（1）
S7-200 PLC在電動轉(zhuǎn)椅控制系統(tǒng)中的應(yīng)用
導(dǎo)讀： 電動轉(zhuǎn)椅分為水平旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)、擺動系統(tǒng)和控制系統(tǒng)三部分。水平旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)、擺動系統(tǒng)分別用伺服電機作為運動執(zhí)行部件，由兩臺伺服驅(qū)動器控制電機的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)動方向來實現(xiàn)現(xiàn)轉(zhuǎn)椅的轉(zhuǎn)動和擺動。
1 引言
航天員在載人航天飛行時要遇到多方向的復(fù)合旋轉(zhuǎn)運動。要適應(yīng)這些復(fù)雜的運動，航天員在上天前必須進行嚴格而艱苦的訓(xùn)練。電動轉(zhuǎn)椅是用來對航天員進行前庭器官適應(yīng)性訓(xùn)練的主要設(shè)備之一。為了向大眾普及前庭刺激的效果和感受，我們?yōu)槟晨萍拣^研制了能夠同時旋轉(zhuǎn)和擺動的復(fù)合電動轉(zhuǎn)椅展品，以s7-200plc為核心設(shè)計了該展品的兩自由度控制及與上位機通信功能。
2 功能要求
轉(zhuǎn)椅要求能夠在水平面上順時針和逆時針旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)角速度可選擇在60～180°/s五檔，角加減速度限制在5～10°/s2，達到設(shè)定轉(zhuǎn)速后保持勻速旋轉(zhuǎn)；垂直面內(nèi)的擺動幅度±30°、±45°兩檔，擺動頻率0.1hz、0.2hz兩檔。轉(zhuǎn)椅效果如圖1所示。
3 控制系統(tǒng)方案
電動轉(zhuǎn)椅分為水平旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)、擺動系統(tǒng)和控制系統(tǒng)三部分。水平旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)、擺動系統(tǒng)分別用伺服電機作為運動執(zhí)行部件，由兩臺伺服驅(qū)動器控制電機的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)動方向來實現(xiàn)現(xiàn)轉(zhuǎn)椅的轉(zhuǎn)動和擺動。正常運行情況下由操作人員在控制臺上通過人機界面設(shè)置轉(zhuǎn)椅運行旋轉(zhuǎn)速度和擺動角度、運行時間等參數(shù)，確認后按下控制臺啟動按鈕啟動設(shè)備，運行時間結(jié)束自動停止在初始位置。如受試者感到不適則可按下轉(zhuǎn)椅扶手上的報警按鈕，操作人員在控制臺接收到報警信號后按下停車按鈕，轉(zhuǎn)椅可在5～10秒內(nèi)停止；如設(shè)備出現(xiàn)異常，操作人員按下緊急停車按鈕，轉(zhuǎn)椅可在1秒內(nèi)緊急停止。在轉(zhuǎn)椅水平旋轉(zhuǎn)初始位置設(shè)置位置傳感器以控制轉(zhuǎn)椅旋轉(zhuǎn)停止在初始位置，分別在轉(zhuǎn)椅垂直角度0°、±30°、±45°共五個位置安裝型位置傳感器以限制擺動角度?？刂葡到y(tǒng)采用西門子公司的s7-200系列plc作為核心控制器，型號為cpu224xpcn，本機集成14輸入、10輸出共24個數(shù)字量i/o點，保證了系統(tǒng)需求且有一定冗余，而且該型號plc集成2個最高100khz的高速脈沖輸出（hsc），對應(yīng)端口q0.0和q0.1，可用于控制步進電機或伺服電機。上位監(jiān)控機采用研華工控機，與plc通過自由口方式通信，人機界面設(shè)計工具為microsoft vc6.0?？刂葡到y(tǒng)組成如圖2所示。
4 運動控制
s7-200提供三種方式的開環(huán)運動控制：脈寬調(diào)制（pwm）、脈沖串輸出（pto）、位控模塊。本項目采用pto方式控制座椅的旋轉(zhuǎn)和擺動，即組態(tài)plc的兩個數(shù)字輸出（q0.0和q0.1）為占空比50%的脈沖串輸出，用于控制旋轉(zhuǎn)和擺動伺服電機的轉(zhuǎn)速。每個脈沖信號可使伺服電機旋轉(zhuǎn)一個固定的角度，脈沖的數(shù)量決定了旋轉(zhuǎn)的總角度，脈沖的頻率決定旋轉(zhuǎn)速度，即脈沖頻率與旋轉(zhuǎn)速度成正比，脈沖周期則與轉(zhuǎn)速成反比。使用plc的q0.2和q0.3作為方向信號控制旋轉(zhuǎn)和擺動伺服電機旋轉(zhuǎn)方向，q0.4和q0.5則分別作為兩臺伺服電機的使能信號輸出，以上plc輸出端分別連接至兩臺伺服控制器輸入端。簡單的pto運動控制可通過step7-microwin組態(tài)軟件提供的位控向?qū)瓿桑捎谵D(zhuǎn)椅要求旋轉(zhuǎn)速度及擺動速度可調(diào)且運行時間可調(diào)，因此采用自定義pto包絡(luò)參數(shù)來設(shè)計控制程序。同時本系統(tǒng)為開環(huán)控制，對于旋轉(zhuǎn)控制需要確定最高恒定轉(zhuǎn)速對應(yīng)的脈沖輸出頻率，以及計算加減速過程中的脈沖周期增量值，對于擺動控制需要確定擺角及擺動頻率所對應(yīng)的旋轉(zhuǎn)速度及脈沖輸出數(shù)。已知伺服控制器單位脈沖位移角度參數(shù)，得出的旋轉(zhuǎn)的輸出脈沖周期與角速度對應(yīng)關(guān)系，如表1所示。
式中：
p：脈沖周期增量，單位μs；
s1：初始角速度，單位°/s；
s2：最高恒速角速度，單位°/s；
α：角加速度，單位/s2；
h1：初始脈沖周期值，單位μs；
h2：恒速脈沖周期值，單位μs；
導(dǎo)讀： 電動轉(zhuǎn)椅分為水平旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)、擺動系統(tǒng)和控制系統(tǒng)三部分。水平旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)、擺動系統(tǒng)分別用伺服電機作為運動執(zhí)行部件，由兩臺伺服驅(qū)動器控制電機的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)動方向來實現(xiàn)現(xiàn)轉(zhuǎn)椅的轉(zhuǎn)動和擺動。
1 引言
航天員在載人航天飛行時要遇到多方向的復(fù)合旋轉(zhuǎn)運動。要適應(yīng)這些復(fù)雜的運動，航天員在上天前必須進行嚴格而艱苦的訓(xùn)練。電動轉(zhuǎn)椅是用來對航天員進行前庭器官適應(yīng)性訓(xùn)練的主要設(shè)備之一。為了向大眾普及前庭刺激的效果和感受，我們?yōu)槟晨萍拣^研制了能夠同時旋轉(zhuǎn)和擺動的復(fù)合電動轉(zhuǎn)椅展品，以s7-200plc為核心設(shè)計了該展品的兩自由度控制及與上位機通信功能。
2 功能要求
轉(zhuǎn)椅要求能夠在水平面上順時針和逆時針旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)角速度可選擇在60～180°/s五檔，角加減速度限制在5～10°/s2，達到設(shè)定轉(zhuǎn)速后保持勻速旋轉(zhuǎn)；垂直面內(nèi)的擺動幅度±30°、±45°兩檔，擺動頻率0.1hz、0.2hz兩檔。轉(zhuǎn)椅效果如圖1所示。
3 控制系統(tǒng)方案
電動轉(zhuǎn)椅分為水平旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)、擺動系統(tǒng)和控制系統(tǒng)三部分。水平旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)、擺動系統(tǒng)分別用伺服電機作為運動執(zhí)行部件，由兩臺伺服驅(qū)動器控制電機的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)動方向來實現(xiàn)現(xiàn)轉(zhuǎn)椅的轉(zhuǎn)動和擺動。正常運行情況下由操作人員在控制臺上通過人機界面設(shè)置轉(zhuǎn)椅運行旋轉(zhuǎn)速度和擺動角度、運行時間等參數(shù)，確認后按下控制臺啟動按鈕啟動設(shè)備，運行時間結(jié)束自動停止在初始位置。如受試者感到不適則可按下轉(zhuǎn)椅扶手上的報警按鈕，操作人員在控制臺接收到報警信號后按下停車按鈕，轉(zhuǎn)椅可在5～10秒內(nèi)停止；如設(shè)備出現(xiàn)異常，操作人員按下緊急停車按鈕，轉(zhuǎn)椅可在1秒內(nèi)緊急停止。在轉(zhuǎn)椅水平旋轉(zhuǎn)初始位置設(shè)置位置傳感器以控制轉(zhuǎn)椅旋轉(zhuǎn)停止在初始位置，分別在轉(zhuǎn)椅垂直角度0°、±30°、±45°共五個位置安裝型位置傳感器以限制擺動角度?？刂葡到y(tǒng)采用西門子公司的s7-200系列plc作為核心控制器，型號為cpu224xpcn，本機集成14輸入、10輸出共24個數(shù)字量i/o點，保證了系統(tǒng)需求且有一定冗余，而且該型號plc集成2個最高100khz的高速脈沖輸出（hsc），對應(yīng)端口q0.0和q0.1，可用于控制步進電機或伺服電機。上位監(jiān)控機采用研華工控機，與plc通過自由口方式通信，人機界面設(shè)計工具為microsoft vc6.0?？刂葡到y(tǒng)組成如圖2所示。
4 運動控制
s7-200提供三種方式的開環(huán)運動控制：脈寬調(diào)制（pwm）、脈沖串輸出（pto）、位控模塊。本項目采用pto方式控制座椅的旋轉(zhuǎn)和擺動，即組態(tài)plc的兩個數(shù)字輸出（q0.0和q0.1）為占空比50%的脈沖串輸出，用于控制旋轉(zhuǎn)和擺動伺服電機的轉(zhuǎn)速。每個脈沖信號可使伺服電機旋轉(zhuǎn)一個固定的角度，脈沖的數(shù)量決定了旋轉(zhuǎn)的總角度，脈沖的頻率決定旋轉(zhuǎn)速度，即脈沖頻率與旋轉(zhuǎn)速度成正比，脈沖周期則與轉(zhuǎn)速成反比。使用plc的q0.2和q0.3作為方向信號控制旋轉(zhuǎn)和擺動伺服電機旋轉(zhuǎn)方向，q0.4和q0.5則分別作為兩臺伺服電機的使能信號輸出，以上plc輸出端分別連接至兩臺伺服控制器輸入端。簡單的pto運動控制可通過step7-microwin組態(tài)軟件提供的位控向?qū)瓿桑捎谵D(zhuǎn)椅要求旋轉(zhuǎn)速度及擺動速度可調(diào)且運行時間可調(diào)，因此采用自定義pto包絡(luò)參數(shù)來設(shè)計控制程序。同時本系統(tǒng)為開環(huán)控制，對于旋轉(zhuǎn)控制需要確定最高恒定轉(zhuǎn)速對應(yīng)的脈沖輸出頻率，以及計算加減速過程中的脈沖周期增量值，對于擺動控制需要確定擺角及擺動頻率所對應(yīng)的旋轉(zhuǎn)速度及脈沖輸出數(shù)。已知伺服控制器單位脈沖位移角度參數(shù)，得出的旋轉(zhuǎn)的輸出脈沖周期與角速度對應(yīng)關(guān)系，如表1所示。
式中：
p：脈沖周期增量，單位μs；
s1：初始角速度，單位°/s；
s2：最高恒速角速度，單位°/s；
α：角加速度，單位/s2；
h1：初始脈沖周期值，單位μs；
h2：恒速脈沖周期值，單位μs；
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