基于PLC的伺服電機運動控制系統設計

李濤 仵晨 李鑫 唐靜媛 楊軍良

摘 要：隨著伺服系統不斷的發展，制造業對伺服系統的要求也是越來越高，現在很多場合下需要伺服電機做變速運動，對電機的控制方式也是多種多樣的要求。本文將介紹一種基于永宏PLC的安川Σ-7系列AC伺服電機帶手搖輪控制的運動控制系統，并通過外接觸摸屏對伺服電機實現精準控制。

關鍵詞：PLC;伺服電機;運動控制;觸摸屏

中圖分類號：TP206 文獻標識碼：A DOI：10.3969/j.issn.1003-6970.2021.03.042

本文著錄格式：李濤，仵晨，李鑫，等.基于PLC的伺服電機運動控制系統設計[J].軟件，2021，42（03）：145-148

Design of Servo Motor Motion Control System Based on PLC

LI Tao， WU Chen， LI Xin， TANG Jingyuan， YANG Junliang

（School of Mechanical and Precision Instrument Engineering， Xi 'an University of Technology， Xi 'an? Shaanxi? 710048）

【Abstract】：With the continuous development of the servo system， the requirements for the servo system are getting higher and higher. Nowadays， the servo motor is required for variable-speed motion in many occasions， and the control method of the motor is also a variety of requirements. This article will introduce a motion control system based on FATEK PLC-based Yaskawa Σ-7 series AC servo motor with hand wheel control， and achieve precise control of the servo motor through an external touch screen.

【Key words】：PLC;servo motor;motion control;touch screen

0 引言

隨著科技高速發展，現代工業制造很多情況下需要電機的低速運轉，精度準確，定位準確及特定的控制方式等要求，以電機為控制對象，電子裝置為核心[1-3]，例如人工晶體生產、光學加工、工業機器人等領域。在實際生產應用中通常采用伺服電機來滿足這些要求，結合PLC結構小巧，穩定性高，抗干擾能力強的特點[4]，更大程度上保證工業條件下電機運動的可靠性。本文以單晶生產技術要求，提出了采用基于永宏PLC通過外部觸摸屏控制伺服電機，并帶有手輪控制的運動控制系統設計。

1 PLC電機控制的硬件設

根據單晶生產要求電機轉速量程在0～260r/min，調控精度要達到0.1r/min，采用永宏PLC型號FBS-24MCT2-AC作為可編程控制器，分配輸入輸出;選用安川Σ-7系列型號SGM7J-04AFC6S AC伺服電機及Σ-7系列型號SGD7S-2R8A AC伺服驅動器，按照要求對驅動器參數進行設置。

1.1 控制要求

首先電機的控制要求主要分為兩種，分為手動、自動兩種模式。在自動模式下，通過在觸摸屏提前設置好自動模式參數（間隔時間、起始速度、終止速度），電機在驅動器的控制下可做勻加速或勻減速運動，達到終止速度后電機做勻速運動，自動模式下若出現問題，電機也可暫停，解決問題后，以原速度繼續運行;在手動模式下，電機按照提前設置好的手動速度做勻速運動，若手搖輪有脈沖輸入則手搖輪直接切入控制電機。具體的控制流程如圖1所示。

1.2 硬件配置

為保證設計要求，要明確所用硬件配置的各性能指標，本次選用的永宏PLC FBS-24MCT2-AC有14點24VDC數組輸入（4點高速200KHz，2點中速20KHz，6點總和5KHz）和10點繼電器或晶體管數出（4點高速200KHz，4點中速20KHz），其它相關參數如表1所示。

1.3 I/O分配表

根據控制要求，通過觸摸屏控制輸入，而外部輸入只有手搖輪脈沖輸入，永宏PLC支持手搖輪輸入，有專用的指令，在使用手搖輪時還要進行一些組態設置，一般是在50Ms中斷程序中使用。電機轉速控制系統的I/O分配如表2所示。

1.4 原理接線圖

該系統原理接線圖如圖2所示。PLC的電源端L接相線，N端接零線，S/S接24V，所用的信號連接線皆采用雙絞線，保證信號不被干擾。

1.5伺服驅動參數設置

伺服電機的控制模式主要有速度控制、位置控制、轉矩控制[5-6]三種，每種控制模式下伺服驅動參數各不相同，根據控制要求選用位置控制模式。對伺服驅動參數進行設置之前，首先要對伺服驅動參數進行初始化Fn005，必須在伺服OFF狀態下執行，重啟后生效。位置控制模式下需要設置的參數如表3所示。

伺服電機選用的是安川伺服電機24位增量型，則電機分辨率為16777216，即電機旋轉一周，需要輸入16777216個脈沖，設置伺服電機的脈沖圈數為12000，Pn20E和Pn210分別是電子齒輪的分子和分母，故電機旋轉一周，PLC需要發送的脈沖數等于分辨率除以電子齒輪比[2]，即：

（1）

2程序設計

WinProladder是永宏系列的PLC編程軟件，擁有強大的控制算法指令，超強通訊，NC定位等功能，軟件全采用Windows環境設計，操作簡單，易學易用，軟件采用項目觀念，內容直觀，多樣化的聯機方式。

以高速脈沖方式控制伺服驅動器是最常用的控制方式，FBs-PLC有專用的單軸高速脈沖輸出指令FUN140（HSPSO）如圖3所示，以文字的書寫方式來編輯，Pulse Output包含三種工作模式，分別為U/D、P/R、A/B，該指令還需與伺服命令表格配合使用。

無論是手動還是自動模式下，都是通過PLC負責發送出高速脈沖指令給伺服驅動器，伺服電機將從伺服電機輸入的脈沖信號通過編碼器反饋回驅動器，驅動器將輸入信號頻率和脈沖數與反饋回的頻率和脈沖數進行處理，構成閉環系統，保證伺服電機高速，精確運轉。

永宏PLC有專用的手搖輪控制指令148號指令MPG，使用時還需設置硬件高級計數和脈沖數出，該指令放在50ms定時中斷處理程序中來執行，以便以準確的對手輪輸入脈沖進行取樣，手搖輪控制指令如圖4所示。

3人機操作界面

人機交互系統和PLC基于變量形式搭起HMI與控制過程之間的通信，I/O模塊則是PLC與控制過程交流的橋梁，HIM利用變量讀取或寫入PLC的控制數據，在計算機上利用觸摸屏組態軟件，對觸摸屏進行組態設置，包括變量設置以及與PLC之間的鏈接[7-8]。系統組態基本結構如圖5所示。本次設計主要設計四個界面分別為主界面，參數設定界面，速度監控界面以及報警界面。

3.1主界面

主界面是人機交互系統的基礎界面，顯示電機轉速的控制情況，直接通過主界面全程進行控制并且對整個過程實時監控，還包含手動模式下電機速度設置，自動模式下旋轉速度段數的選擇，段數選擇后電機開始按設計好的參數運動，以及手動自動模式選擇開關。通過EasyBuilder Pro軟件建立觸摸屏與PLC之間的通訊，實現觸摸屏控制電機，設計效果如圖6所示。

3.2參數設定界面

參數設定界面是在自動控制模式下，人為設置電機速度的變化，包含間隔時間，起始速度，終止速度，總共七段速度從上到下依次設定。整個過程實現勻速運動，該界面設計效果如圖7所示。

3.3速度監控界面

在速度監控界面，主要是對電機實時速度的采集和統計，利用平面直角坐標設置，實時繪制速度隨時間變化的情況，繪制成趨勢圖，將電機數據采集下來有助于對數據的分析。速度監控界面的效果如圖8所示。

3.4報警界面

報警界面的目的是在電機運行的過程中，某些數值出現了超出電機運轉極限的變化，或是超出設定值的等一系列故障問題，為了能夠及時排除問題，保證電機快速恢復正常運轉。通過報警界面可以很清楚的得知故障序號，以及故障時間，為分析提供幫助。報警界面的設計效果如圖9。

4結語

本文采用PLC對伺服電機進行變速控制，分析了系統的硬件參數以及伺服驅動器的參數設置，通過Win Proladde編程軟件編寫梯形圖，設計組態，建立PLC與觸摸屏通訊，實現對伺服電機的運動控制。通過現場測試，伺服電機的控制精度達到0.1r/min，量程達到0～260r/min，已經滿足要求，并且能夠通過觸摸屏實時編輯，手動模式下，手輪外部輸入能控制電機正反轉，自動模式下，伺服電機也能按照設置的參數，自動運轉，速度誤差也在合理范圍之內。實踐證明該控制方案可行。

參考文獻

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