S7-200系列西門(mén)子PLC是一種體積小、編程簡(jiǎn)單、控制方便的可編程控制器，它提供了多種位置控制方式可供用戶(hù)選擇，因此，如何利用該系列西門(mén)子PLC實(shí)現(xiàn)對(duì)伺服電機(jī)運(yùn)動(dòng)位置較為精準(zhǔn)的控制是本文的研究重點(diǎn)。

1. 基本控制系統(tǒng)

  伺服系統(tǒng)分為液壓伺服系統(tǒng)、電氣－液壓伺服系統(tǒng)以及電氣伺服系統(tǒng)。本文主要討論了電氣伺服系統(tǒng)中的交流伺服系統(tǒng)，其基本組成為交流伺服電機(jī)、編碼器和伺服驅(qū)動(dòng)器。交流伺服系統(tǒng)的工作原理是伺服驅(qū)動(dòng)器發(fā)送運(yùn)動(dòng)命令，驅(qū)動(dòng)伺服電機(jī)運(yùn)動(dòng)，并接收來(lái)自編碼器的反饋信號(hào)，然后重新計(jì)算伺服電機(jī)運(yùn)動(dòng)目標(biāo)位置，從而達(dá)到精確控制伺服電機(jī)運(yùn)動(dòng)。

  本伺服系統(tǒng)中選用Exlar公司生產(chǎn)的GSX50-0601型伺服直線(xiàn)電動(dòng)缸。該電動(dòng)缸由普通伺服電機(jī)和一個(gè)行星滾珠絲杠組成，用來(lái)實(shí)現(xiàn)將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)橹本€(xiàn)運(yùn)動(dòng)。此外，選用Xenus公司生產(chǎn)的XenusTM型伺服驅(qū)動(dòng)器。它可以利用RS．232串口通信方式和外部脈沖方式實(shí)現(xiàn)位置控制。

  一般來(lái)說(shuō)，一個(gè)伺服系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)需要配置一個(gè)上位機(jī)，所以本系統(tǒng)采用S7-200西門(mén)子PLC作為上位機(jī)控制器。通過(guò)高速脈沖輸出、EM253位置控制模塊、自由口通信三種方式控制伺服電機(jī)運(yùn)動(dòng)。

2. 高速脈沖輸出模式

  西門(mén)子CPU226CN配置兩個(gè)內(nèi)置脈沖發(fā)生器，它有脈沖串輸出(PTO)和脈沖寬度調(diào)制輸出兩種脈沖發(fā)生模式可供選擇。這兩個(gè)脈沖發(fā)生器的zui大脈沖輸出頻率為100 kHz。在脈沖串輸出方式中，PLC可生成一個(gè)50％占空比脈沖串，用于步進(jìn)電機(jī)或伺服電機(jī)的速度和位置的控制。

2.1 硬件構(gòu)成

  圖1為高速脈沖輸出方式的位置控制原理圖。控制過(guò)程中，將伺服驅(qū)動(dòng)器工作定義在脈沖+方向模式下，Q0.0發(fā)送脈沖信號(hào)，控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速和目標(biāo)位置；Qo，發(fā)送方向信號(hào)，控制電機(jī)的運(yùn)動(dòng)方向。伺服電動(dòng)缸上帶有左限位開(kāi)關(guān)LIM一、右限位開(kāi)關(guān)LIM+以及參考點(diǎn)位置開(kāi)關(guān)REF。三個(gè)限位信號(hào)分別連接到CPU224XP的I0.0～I(xiàn)0.2三個(gè)端子上，可通過(guò)軟件編程，實(shí)現(xiàn)限位和找尋參考點(diǎn)。

圖1 位置控制原理圖

2.2 程序設(shè)計(jì)

  高速脈沖串輸出(PTO)可以通過(guò)Step 7 Micro/WIN的位置控制向?qū)нM(jìn)行組態(tài)，也可通過(guò)軟件編程實(shí)現(xiàn)控制。PTO輸出方式?jīng)]有專(zhuān)門(mén)的位置控制指令，只有一條脈沖串輸出指令，而且在脈沖發(fā)送過(guò)程中不能停止，也不能修改參數(shù)。為解決以上問(wèn)題，可以設(shè)置脈沖計(jì)數(shù)值等于10(或更小)，并能使脈沖發(fā)送指令PLS處于激活狀態(tài)。這樣，就可以在任一脈沖串發(fā)送完之后修改脈沖周期。

  圖2為高速脈沖輸出方式位置控制流程圖。控制思路為：通過(guò)PTO模式輸出，可以控制脈沖的周期和個(gè)數(shù)；通過(guò)啟用高速計(jì)數(shù)器HSC，對(duì)輸出脈沖進(jìn)行實(shí)時(shí)計(jì)數(shù)和定位控制，以控制伺服電機(jī)的運(yùn)動(dòng)過(guò)程。

圖2 位置控制流程圖

3. EM253位置控制模塊

  EM253位置控制模塊是S7-200西門(mén)子plc的特殊功能位置控制模塊，它能夠產(chǎn)生脈沖串用于步進(jìn)電機(jī)與伺服電機(jī)的速度和位置的開(kāi)環(huán)控制。

3.1 硬件構(gòu)成

  如圖3所示為EM253位置控制原理圖，定義伺服驅(qū)動(dòng)器工作在脈沖+方向模式下。P0口發(fā)送脈沖，P1口發(fā)送方向，DIS端硬件使能放大器，并同時(shí)清除放大器錯(cuò)誤。LIM-、LIM+、REF分別為電機(jī)左限位、右限位以及參考點(diǎn)。

圖3 EM253位置控制原理圖

3.2 程序設(shè)計(jì)

  EM253位置控制模塊可以通過(guò)Step 7-Micro/WIN進(jìn)行向?qū)渲?，配置完成后系統(tǒng)將自動(dòng)生成子程序，編程簡(jiǎn)單、可輕松實(shí)現(xiàn)手動(dòng)、自動(dòng)、軌跡運(yùn)行模式。由于EM253屬于開(kāi)環(huán)控制，不能很好地反饋電機(jī)實(shí)際運(yùn)動(dòng)情況。因此，利用伺服驅(qū)動(dòng)器本身的差分輸出信號(hào)，通過(guò)西門(mén)子變頻器軟件設(shè)置，反饋給PLC，實(shí)現(xiàn)閉環(huán)位置控制。但由于直線(xiàn)伺服電動(dòng)缸與PLE可允許發(fā)送接收信號(hào)存在一定差別，因此，需要對(duì)輸入到PLC的信號(hào)進(jìn)行電平的轉(zhuǎn)化以及降低伺服驅(qū)動(dòng)器發(fā)送的反饋脈沖頻率。西門(mén)子PLC對(duì)輸入脈沖進(jìn)行累加，從而得到電機(jī)的實(shí)際運(yùn)轉(zhuǎn)位置與運(yùn)轉(zhuǎn)速度，其脈沖計(jì)數(shù)程序如下。

①計(jì)數(shù)器初始化程序
LD      SMO. 1//掃描時(shí)
MOVB    16#FC, SMB47
  //SMB47 =16#F4,SMB47為高速計(jì)數(shù)器1的控制字節(jié)
HDEF   1，9
                      //將HSC1配置為正交模式
MOVD   0, SMD48
                    //設(shè)置HSCI的新初始值為0
MOVD   20000，SMD52
                //設(shè)置HSCI的新預(yù)設(shè)值為20 000
HSC    I//激活高速計(jì)數(shù)器I
②脈沖計(jì)數(shù)程序
LD     SMO. 0
MOVD    HC1，VD600
        //將高速計(jì)數(shù)器1所記數(shù)值存儲(chǔ)在VD600中
DTR     VD600, VD610
        // VD601〕中的整數(shù)轉(zhuǎn)化為實(shí)數(shù)，存人VD6100
/R      SOOO,VD610
                  // VD610除以5000存入VD610 ,
            5001〕為電機(jī)旋轉(zhuǎn)一周編碼器發(fā)送脈沖數(shù)
*R      2.54, VD610
                  //VD610乘以2.54存人VD610 ,
                2.54為電機(jī)旋轉(zhuǎn)一周移動(dòng)的距離

4  RS-232串口通信方式

4.1硬件構(gòu)成

  西門(mén)子CPU22

  當(dāng)S7-200系列PLC工作在自由口通信模式下時(shí)，一般通過(guò)CPU模塊的集成接口進(jìn)行通信。CPU集成接口采用了PPI硬件規(guī)范，其接口為RS-485串口，因此，當(dāng)S7-200系列西門(mén)子PLC的CPU與帶有RS-232標(biāo)準(zhǔn)接口的計(jì)算機(jī)或伺服驅(qū)動(dòng)器連接時(shí)，需要配套選用S7-200 PLC的PC/PPI轉(zhuǎn)換電纜或一個(gè)RS-232/RS-485轉(zhuǎn)換器。

4.2  PLC與伺服系統(tǒng)通信

4.2.1 報(bào)文構(gòu)成

  S7-200PLC在無(wú)協(xié)議通信方式工作時(shí)，不需要任何通信協(xié)議，通信參數(shù)需要根據(jù)與其進(jìn)行通信的伺服驅(qū)動(dòng)器的通信格式進(jìn)行設(shè)定。本伺服系統(tǒng)選用的Xe-nus伺服驅(qū)動(dòng)器可通過(guò)RS-232與PLC利用ASCII碼進(jìn)行通信，其ASCII碼消息命令格式如下：

  <命令代碼><命令具體參數(shù)>

  其中：<命令代碼>為一個(gè)單字母代碼；<命令具體參數(shù)>表示電機(jī)所要執(zhí)行的任務(wù)；為一個(gè)回車(chē)返回字符，表示命令結(jié)束。如：s r0x2A 21表示設(shè)置伺服控制器工作在可編程控制模式。

4.2.2 程序設(shè)計(jì)

  程序設(shè)計(jì)時(shí)，將伺服驅(qū)動(dòng)器工作定義在可編程位置模式。該模式支持實(shí)時(shí)更改伺服電機(jī)的運(yùn)動(dòng)速度、位置，通過(guò)RS-232接收來(lái)自PLC的ASCII碼命令，執(zhí)行運(yùn)動(dòng)。部分程序如下：

①初始化程序
LD      SMO. 1                  //掃描
MOVB    9, SMB30
                                                           //設(shè)置自由端口0
            通信方式SMB30＝9、8位數(shù)據(jù)位、9600、PPI
MOVB    188, SMB87
      //設(shè)置自由端口。接收信息控制5MB87 =188
MOVB    13，SMB89                       //設(shè)置自由端口0
              結(jié)束字符SMB89=13，即結(jié)束字符=
MOVW  0, SMW90                          //設(shè)置自由端口0
             空閑超時(shí)SMB90=0，信息接收始終處于有效
MOVW200, SMW92
             //設(shè)置自由端口0信息超時(shí)SMB92 =200 ms
MOVB   255, SMB94
            //設(shè)置自由端口0接收字符zui大數(shù)SMB94=255
ATCH    INT_0，9            //發(fā)送完成觸發(fā)中斷事件0
ENI                                              //允許中斷
②發(fā)送信息程序
LDN     VD3501.1
                                      // V D3501.1為接收延遲，
                           自由端口0沒(méi)有處于接收延遲時(shí)
A                  SM4. 5
                                   //自由端口0處于空閑狀態(tài)，SM4.5 =1
AB＝        VB18, 7
                                //命令字節(jié)VB18 =7，即要求設(shè)置運(yùn)動(dòng)目標(biāo)位置
SCPY       "s  r0xca'，VB3100
                                           //"s  r0xca'，復(fù)制到VB3100,
                                 "s  r0xca'為設(shè)置運(yùn)動(dòng)目標(biāo)位置命令
SCAT    VB3600, VB3100
// VB360()內(nèi)的目標(biāo)位置值連接到設(shè)置目標(biāo)位置命令后
SCAT    VB3190, VB3100
                  //VB3190內(nèi)的結(jié)束字節(jié)連接到VB3100后;
XMT     VB3100, 0
                  //通過(guò)自由端口0發(fā)送命令至伺服驅(qū)動(dòng)器
③發(fā)送完成中斷程序(接收信息)
LD      SM0.0               //SM0.0總是為1
S       SM87.7, 1
        //置SM87. 7=1,SM87.7為允許接收信息位
RCV     VB3200, 0
              //通過(guò)自由端口0接收信息至VB3200

5 三種控制方式的分析比較

  上文分別從硬件結(jié)構(gòu)與軟件編程等方面，詳細(xì)介紹了三種伺服電機(jī)位置控制方式。為了更好地理解這三種方式的差異，我們從軟件與控制結(jié)果的角度作如下分析比較。

①軟件編程

  脈沖串輸出方式可以輕松實(shí)現(xiàn)一些簡(jiǎn)單的位置與速度控制，具有硬件要求簡(jiǎn)單、可取代EM253并節(jié)省系統(tǒng)硬件配置等功能。但在編寫(xiě)較為復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)程序時(shí)(如運(yùn)動(dòng)需要確定電機(jī)運(yùn)動(dòng)的原點(diǎn)位置)，由于步驟繁瑣，故不能采用該方法加以實(shí)現(xiàn)。

②控制精度

  高速脈沖輸出方式和EM253位置控制方式均屬于開(kāi)環(huán)位置控制，它們只負(fù)責(zé)發(fā)送脈沖，但當(dāng)伺服電機(jī)或伺服驅(qū)動(dòng)器出現(xiàn)故障時(shí)，PLC或EM253都沒(méi)得到相應(yīng)的反饋信息，仍然在不斷向外發(fā)送脈沖;而采用通信控制方式則是在每次發(fā)送命令結(jié)束時(shí)，伺服驅(qū)動(dòng)器均會(huì)對(duì)發(fā)送的命令做出應(yīng)答。

③位置控制結(jié)果

  伺服電機(jī)的速度等于PLC或EM253的輸出脈沖頻匆電機(jī)每轉(zhuǎn)一圈發(fā)送的脈沖數(shù)，或直接通過(guò)RS-232串口發(fā)送ASCII碼控制。由于S7-200系列PLC(除CPU224XP)高速脈沖輸出口的zui高頻率為20 kHz,EM253的zui高輸出頻率為200 kHz,RS-232串口通信控制方式則是發(fā)送ASCII碼設(shè)定運(yùn)動(dòng)速度。因此，對(duì)于要求高速運(yùn)動(dòng)，或高控制精度的伺服驅(qū)動(dòng)器系統(tǒng)，RS-232串口通信控制方式*，而高速脈沖輸出方式則不能滿(mǎn)足要求。

  采用高速脈沖輸出控制和EM253位置控制方式時(shí)，伺服驅(qū)動(dòng)器工作在脈沖+方向模式下，而處于通信控制方式時(shí)，伺服驅(qū)動(dòng)器工作在可編程位置控制模式下。高速脈沖輸出方式不能根據(jù)實(shí)際狀況實(shí)時(shí)更改伺服電機(jī)運(yùn)動(dòng)速度與目標(biāo)位置，EM253位置控制方式只能在手動(dòng)模式下實(shí)時(shí)更改速度，采用通信控制方式時(shí)，當(dāng)伺服驅(qū)動(dòng)器設(shè)置電機(jī)在可編程位置控制模式下運(yùn)動(dòng)時(shí)，可通過(guò)RS-232串口發(fā)送ASCII碼命令，實(shí)時(shí)更改速度和目標(biāo)位置。