PLC控制伺服系統(tǒng)步驟_西門子PLC控制的伺服控制系統(tǒng)詳解

本文主要詳解PLC控制伺服系統(tǒng)步驟，首先介紹了PLC工作原理以及PLC控制伺服電機3種方式，其次闡述了西門子PLC控制的伺服控制系統(tǒng)，具體的跟隨小編一起來了解一下。

PLC工作原理

PLC是采用“順序掃描，不斷循環(huán)”的方式進行工作的。即在PLC運行時，CPU根據(jù)用戶按控制要求編制好并存于用戶存儲器中的程序，按指令步序號（或地址號）作周期性循環(huán)掃描，如無跳轉(zhuǎn)指令，則從第一條指令開始逐條順序執(zhí)行用戶程序，直至程序結(jié)束。然后重新返回第一條指令，開始下一輪新的掃描。在每次掃描過程中，還要完成對輸入信號的采樣和對輸出狀態(tài)的刷新等工作。

PLC的一個掃描周期必經(jīng)輸入采樣、程序執(zhí)行和輸出刷新三個階段。

PLC在輸入采樣階段：首先以掃描方式按順序?qū)⑺袝捍嬖谳斎腈i存器中的輸入端子的通斷狀態(tài)或輸入數(shù)據(jù)讀入，并將其寫入各對應(yīng)的輸入狀態(tài)寄存器中，即刷新輸入。隨即關(guān)閉輸入端口，進入程序執(zhí)行階段。

PLC在程序執(zhí)行階段：按用戶程序指令存放的先后順序掃描執(zhí)行每條指令，經(jīng)相應(yīng)的運算和處理后，其結(jié)果再寫入輸出狀態(tài)寄存器中，輸出狀態(tài)寄存器中所有的內(nèi)容隨著程序的執(zhí)行而改變。

輸出刷新階段：當(dāng)所有指令執(zhí)行完畢，輸出狀態(tài)寄存器的通斷狀態(tài)在輸出刷新階段送至輸出鎖存器中，并通過一定的方式（繼電器、晶體管或晶閘管）輸出，驅(qū)動相應(yīng)輸出設(shè)備工作。

PLC控制伺服電機3種方式

1、轉(zhuǎn)矩控制

轉(zhuǎn)矩控制方式是通過外部模擬量的輸入或直接的地址的賦值來設(shè)定電機軸對外的輸出轉(zhuǎn)矩的大小，具體表現(xiàn)為例如10V對應(yīng)5Nm的話，當(dāng)外部模擬量設(shè)定為5V時電機軸輸出為2.5Nm：如果電機軸負載低于2.5Nm時電機正轉(zhuǎn)，外部負載等于2.5Nm時電機不轉(zhuǎn)，大于2.5Nm時電機反轉(zhuǎn)（通常在有重力負載情況下產(chǎn)生）?？梢酝ㄟ^即時的改變模擬量的設(shè)定來改變設(shè)定的力矩大小，也可通過通訊方式改變對應(yīng)的地址的數(shù)值來實現(xiàn)。

應(yīng)用主要在對材質(zhì)的受力有嚴格要求的纏繞和放卷的裝置中，例如饒線裝置或拉光纖設(shè)備，轉(zhuǎn)矩的設(shè)定要根據(jù)纏繞的半徑的變化隨時更改以確保材質(zhì)的受力不會隨著纏繞半徑的變化而改變。

2、位置控制

位置控制模式一般是通過外部輸入的脈沖的頻率來確定轉(zhuǎn)動速度的大小，通過脈沖的個數(shù)來確定轉(zhuǎn)動的角度，也有些伺服可以通過通訊方式直接對速度和位移進行賦值。由于位置模式可以對速度和位置都有很嚴格的控制，所以一般應(yīng)用于定位裝置。

應(yīng)用領(lǐng)域如數(shù)控機床、印刷機械等等。

3、速度模式

通過模擬量的輸入或脈沖的頻率都可以進行轉(zhuǎn)動速度的控制，在有上位控制裝置的外環(huán)PID控制時速度模式也可以進行定位，但必須把電機的位置信號或直接負載的位置信號給上位反饋以做運算用。

位置模式也支持直接負載外環(huán)檢測位置信號，此時的電機軸端的編碼器只檢測電機轉(zhuǎn)速，位置信號就由直接的最終負載端的檢測裝置來提供了，這樣的優(yōu)點在于可以減少中間傳動過程中的誤差，增加了整個系統(tǒng)的定位精度。

西門子PLC控制的伺服控制系統(tǒng)詳解

以SINAMICS V80系統(tǒng)為例說明。SINAMICS V80伺服驅(qū)動系統(tǒng)包括伺服驅(qū)動器和伺服電機兩部分，伺服驅(qū)動器總是與其對應(yīng)的同等功率的伺服電機一起配套使用。SINAMICS V80伺服驅(qū)動器通過脈沖輸入接口來接受從上位控制器發(fā)來的脈沖序列，進行速度和位置的控制，通過數(shù)字量接口信號來完成驅(qū)動器運行的控制和實時狀態(tài)的輸出。

驅(qū)動器上有一個脈沖設(shè)置旋轉(zhuǎn)開關(guān)用來設(shè)計脈沖分辨率以及指令脈沖類型的。本設(shè)計選擇3，對應(yīng)的分辨率是10000。驅(qū)動器的四個連接器X1、X2、X10和X20相應(yīng)的功能如圖3所示：

伺服電機控制系統(tǒng)的硬件組成如圖 4 所示。S7-200根據(jù)要求發(fā)出高速脈沖和電機轉(zhuǎn)動的方向信號，經(jīng)過驅(qū)動器控制伺服電機旋轉(zhuǎn)；電機旋轉(zhuǎn)編碼器的輸出信號通過驅(qū)動器形成A 相和B 相正交信號，經(jīng)信號轉(zhuǎn)換以后作為S7-200 高速計數(shù)器的信號源，形成以S7-200 為處理器的閉環(huán)控制系統(tǒng)。伺服電機、伺服驅(qū)動器和S7-200PLC 之間采用屏蔽電纜連接。

在伺服電機運行設(shè)計時，考慮到伺服電機的平穩(wěn)啟停，設(shè)計了三段式脈沖方式，其示意圖如5所示。脈沖是分三段式走，即上升、恒速、下降三段，上升段是啟動時速度從一個比較低的值上升到一個比較高的值，下降段是電機制動時速度從一個比較高的值一直減小到一個比較小的值，這樣有利于保護電機。定義上升和下降段都是走一百個脈沖，則剩余需走的脈沖在恒速段高速走完。另外當(dāng)需走的脈沖數(shù)少于兩百個時，就以單段低速走，在每個脈沖子程序中都會先判斷是以單段式走還是以三段式走。

圖5 三段式脈沖示意圖

為了配合步進和伺服電動機的控制，西門子PLC內(nèi)置了脈沖輸出功能，并設(shè)置了相應(yīng)的控制指令，可以很好地對步進和伺服電動機進行控制。

本節(jié)將重點講解西門子S7-200 PLC脈沖輸出功能和步進電動機的控制，伺服電動機的控制與步進電動機的基本相同。S7-300/400 PLC中也可以通過FM模塊實現(xiàn)步進和伺服控制，思路與S7-200 PLC一致，本節(jié)不再介紹。

1. 脈沖輸出（PLS）指令

脈沖輸出（PLS）指令功能為：使能有效時，檢查用于脈沖輸出（Q0.0或Q0.1）的特殊存儲器位（SM），然后執(zhí)行特殊存儲器位定義的脈沖操作。指令格式如表9-3所示。

2. 用于脈沖輸出（Q0.0或Q0.1）的特殊存儲器

每個PTO/PWM發(fā)生器都有一個控制字節(jié)（8位）、一個脈沖計數(shù)值（無符號的32位數(shù)值）、一個時間周期和脈寬值（無符號的16位數(shù)值）。這些值都放在特定的特殊存儲區(qū)（SM），如表9-4所示。執(zhí)行PLS指令時，S7-200讀這些特殊存儲器位（SM），然后執(zhí)行特殊存儲器位定義的脈沖操作，即對相應(yīng)的PTO/PWM發(fā)生器進行編程。

3. Q0.0和Q0.1的共用

PTO/PWM生成器和輸出映像寄存器共用Q0.0和Q0.1。在Q0.0或Q0.1使用PTO或PWM功能時，PTO/PWM發(fā)生器控制輸出，并禁止輸出點的正常使用，輸出波形不受輸出映像寄存器狀態(tài)、輸出強制、執(zhí)行立即輸出指令的影響；在Q0.0或Q0.1位置沒有使用PTO或PWM功能時，輸出映像寄存器控制輸出，所以輸出映像寄存器決定輸出波形的初始和結(jié)束狀態(tài)，即決定脈沖輸出波形從高電平或低電平開始和結(jié)束，使輸出波形有短暫的不連續(xù)。

4. 線性脈沖串輸出（PTO）

PTO可以實現(xiàn)占空比為1：2的高速脈沖串的輸出，脈沖數(shù)和周期可以由用戶定義。狀態(tài)字節(jié)中的最高位（空閑位）用來指示脈沖串輸出是否完成?？稍诿}沖串完成時啟動中斷程序，若使用多段操作，則在包絡(luò)表完成時啟動中斷程序。

5. 脈寬可調(diào)脈沖（PWM）輸出

PWM是脈寬可調(diào)的高速脈沖輸出，通過控制脈寬和脈沖的周期，實現(xiàn)控制任務(wù)。

步進電動機在起動和停止時有一個加速及減速過程，且加速度越小則沖擊越小，動作越平穩(wěn)。所以，步進電動機工作時一般要經(jīng)歷這樣一個變化過程：加速→恒速（高速）→減速→恒速（低速）→停止。步進電動機轉(zhuǎn)速與脈沖頻率成正比，所以輸入步進電動機的脈沖頻率也要經(jīng)過一個類似變化過程。步進電動機脈沖頻率變化規(guī)律如圖9-5所示。

1. 通過指令向?qū)ЫM態(tài)PTO

STEP7-Micro/WIN提供了位置控制向?qū)?，可以幫助用戶方便地完成PTO、PWM或位控模塊的組態(tài)。該向?qū)Э梢陨晌豢刂噶睿梢杂眠@些指令在應(yīng)用程序中對速度和位置進行動態(tài)控制。

本小節(jié)通過PLC控制一個步進電動機的應(yīng)用，說明利用STEP7-Micro/WIN位置控制向?qū)韺崿F(xiàn)PTO控制步進電動機的具體操作過程。

1. 通過指令向?qū)ЫM態(tài)PTO

STEP7-Micro/WIN提供了位置控制向?qū)В梢詭椭脩舴奖愕赝瓿蒔TO、PWM或位控模塊的組態(tài)。該向?qū)Э梢陨晌豢刂噶?，可以用這些指令在應(yīng)用程序中對速度和位置進行動態(tài)控制。

本小節(jié)通過PLC控制一個步進電動機的應(yīng)用，說明利用STEP7-Micro/WIN位置控制向?qū)韺崿F(xiàn)PTO控制步進電動機的具體操作過程。