【正文】 只要控制輸入到其線圈繞組中的脈沖數(shù)或者脈沖頻率即可控制步進電動機的角位移和轉(zhuǎn)速，但給步進電動機的各線圈繞組輸入的脈沖還需要進行脈沖分配器的分配。利用 PLC控制步進電動機，其脈沖分配可以由軟件進行設計，還可以由硬件來組成。 當 S7200 系列 PLC 使用自由口通信時，數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議完全由用戶程序決定，所有的通信任務都要由用戶編程完成 。通過自由口方式， S7200可以與串行打印機、條碼閱讀器、觸摸屏進行通信，其波特率范圍為 1 200— 115 200bit／ s(可調(diào)整 )。自由口通信的核心是 XMT(發(fā)送 )和 RCV(接收 )這 2 條指令以及相應的特殊寄存器控制。本系統(tǒng)的自由口通信使用的是自由口 0， S7200CPU 使用 SMB30 定義自由口 0 的工作模式。通過特殊寄存器 SMB30，可以對校驗的選擇、每個字符的數(shù)據(jù)位、自由口的波特率和協(xié)議選擇進行設置。 S7200CPU上的自由口接口為 RS485，觸摸屏的接口為 RS232，設計時需要制做一個 RS485／ RS232 的通信線。而 S7200 CPU 的通信口 RS485為半雙工通信口，發(fā)送和接收指令不能同時處于激活狀態(tài)，此時，可以通過控制特殊寄存器 SMB87來控制RCV(接收 )，當在指定時間內(nèi) PLC沒有收到信息時， RCV指令將停止接收。 我們這里選擇蘇州萬迎工控科技有限公司型號為 FP1C40RAC的 PLC 主要參數(shù)： 24點輸入、 16點輸出、繼電器輸出、輸入 DC1224V、電源 AC100240V 觸摸屏對 PLC 的控制 模擬量的采集及發(fā)送在模擬量輸入及其轉(zhuǎn)換成實 際值的過程中 (以溫度為例 )，溫度傳感器采集到的模擬信號通過 PLC模擬量輸入模塊變成數(shù)字信號傳到 PLC 的存儲器，再根據(jù)傳感器的量程等實際情況把數(shù)字信號換算成實際的溫度值 [15]。 系統(tǒng)從模擬量模塊中地址為 AIWl0的通道輸入模擬量。為了增強輸入模擬量的穩(wěn)定性，模擬量采集程序采用求多次采樣值的平均值方法；而為了減少 CPU 的掃描時間，程序中的除法采用移位除法 (用采樣次數(shù)的 2的次方表示，如 128次為 2的 8次方 )。 觸摸屏的觸控功能當觸摸屏上的按鈕被按下時，觸摸屏會給 PLC發(fā)送按鈕位置坐標(觸摸屏中表示位置坐標的數(shù)據(jù) 塊為“ AA73 按鈕的坐標 CC33 C33C” )， PLC 收到數(shù)據(jù)后判斷按鈕的位置坐標是否正確，如果正確，則執(zhí)行顯示曲線、顯示實時參數(shù)、控制執(zhí)行機構(gòu)等指令。 通信的相關(guān)程序 PLC 的編程方法因程序設計人員的思維習慣不同而有很大差異，常用的編程方法有梯形圖編程和語句表編程 2種。 [16] 梯形圖接近繼電器控制的表達形式，語句表則類似于計算機匯編語言，這 2種編程方式均實時反映出繼電器控制的思想。本文采用語句表的編程方法編寫了觸摸屏和 PLC 通信及觸摸屏觸控 (觸摸屏給 PLC 發(fā)送指令，通過 PLC控制執(zhí)行機構(gòu) )的程序，其程序如 下。 ①主程序編程 網(wǎng)絡 1：程序初始化 LD MOVB 1619， SWB30 MOVB 169C, SMB87 常州大學畢業(yè)設計 第 15 頁 共 37 頁 MOVB 163C, SMB89 MOVB 0， SMB90 MOVB 1， SMB92 MOVB 100， SMB94 ATCH INT_0,23 ENI 網(wǎng)絡 2:接收觸摸屏發(fā)來的指令 LD SM0,0 RCV VB120,0 ②中斷程序 網(wǎng)絡 l：如果按下“啟動”按鈕，則發(fā)給 PLC 控制指令控制執(zhí)行機構(gòu) LDW=VW123,30 AW=VW123,228 AW=VW125,114 AW=VW125,324 LPS XMT VB20,0 AENO FILL 0， VW120,10 AENO S ,1 LPP CRET1 網(wǎng)絡 2：如果按下“返回”按鈕，界面切到首頁 LDW=VW123,40 AW=VW123,157 AW=VW125,383 AW=VW125,432 LPS XMT VB30,0 AENO FILL 0， VW120,10 AENO R ,1 LPP CRET1 ③數(shù)據(jù)塊 VB20 7 常州大學畢業(yè)設計 第 16 頁 共 37 頁 VB21 16AA VB22 1670 VB23 161 VB24 16CC VB25 1633 VB26 16C3 VB27 163C VB30 7 VB31 16AA VB32 1670 VB33 160 VB34 16CC VB35 1633 VB36 16C3 VB37 163C 常州大學畢業(yè)設計 第 17 頁 共 37 頁 3 伺服電機控制系統(tǒng)設計 圖 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖 圖 中各 部分的功能及作用簡介 ： （ 1） PLC： 它采用一類可 編程 的 存儲器 ，用于其內(nèi)部存儲程序，執(zhí)行邏輯運算、順序控制、定時、計數(shù)與算術(shù)操作等面向用戶的指令，并通過數(shù)字或模擬式輸入 /輸出控制各種類型的機械或生產(chǎn)過程。 在此系統(tǒng)中， PLC 與伺服電機驅(qū)動器相連，通過編程實現(xiàn)對其控制。 （ 2）伺服電機驅(qū)動器： 主要包括控制系統(tǒng)和驅(qū)動系統(tǒng) ， 控制系統(tǒng)一般由 DSP組成，利用它采集電流反饋值閉合電流環(huán)，采集編碼器信號算出速度閉合速度環(huán)，產(chǎn)生驅(qū)動驅(qū)動系統(tǒng)的 6個開關(guān)管的 PWM開關(guān)信號 ，驅(qū)動系統(tǒng)主要由整流濾波電路、智能功率模塊、電流采樣電路、編碼器的外圍電路組成。在此系統(tǒng)中，伺服電機驅(qū)動器主要 控制伺服電機的起動、停機、轉(zhuǎn)速等等， 并且能 對電機進行各種保護 ，如： 過載，短路，欠壓等 。 （ 3）伺服電機： 伺服電機是指在伺服系統(tǒng)中控制 機械元件 運轉(zhuǎn)的發(fā)動機，是一種補助馬達間接變速裝置。在此系統(tǒng)中，伺服電機驅(qū)動器驅(qū)動伺服電機，伺服電機進而可以實現(xiàn)正反轉(zhuǎn)以及速度控制，從而帶動主軸的旋轉(zhuǎn)。 （ 4）主軸：在此系統(tǒng)中，主軸由伺服電機控制，進行上下旋轉(zhuǎn)，與步進電機控制的滾珠絲桿配合，從而可以實現(xiàn)繞線的功能。 （ 5）光電傳感器： 光電傳感器是采用光電元件作為檢測元件的傳感器。它首先把被測量的變化轉(zhuǎn)換成光 信號 的變化，然后借助光電元件進一步將光信號轉(zhuǎn)換成電信號。光電傳感器一般由光源、光學通路和光電元件三部分組成。 在此系統(tǒng)中，光電傳感器將主軸的位移量轉(zhuǎn)換成光信號的變化，然后再將光信號轉(zhuǎn)換成電信號，通過 M/T法反饋給PLC，從而實現(xiàn)對伺服電機的閉環(huán)控制。 （ 6） M/T法 ： M法是測量單位時間內(nèi)的脈數(shù)換算成頻率，因存在測量時間內(nèi)首尾的半個脈沖問題，可能會有 2個脈的誤差。速度較低時，因測量時間內(nèi)的脈沖數(shù)變少，誤差所占的比例會變大，所以 M法宜測量高速。如要降低測量的速度下限，可以提高編碼器線數(shù)或加大測量 的單位時間，使用一次采集的脈沖數(shù)盡可能多。 T 法是測量兩個脈沖之間的時間換算成周期，從而得到頻率。因存在半個時間單位的問題，可能會有 1個時間單位的誤差。速度較高時，測得的周期較小，誤差所占的比例變大，所以 T法宜測量低速。如要增加速度測量的上限，可以減小編碼器的脈沖數(shù)，或使用更小更精確的計時 常州大學畢業(yè)設計 第 18 頁 共 37 頁 單位，使一次測量的時間值盡可能大。 伺服電機的概述 伺服電機分為直流伺服電機和交流伺服電機兩種。由于交流伺服電機具有體積小、重量輕、大轉(zhuǎn)矩輸出、低慣量和良好的控制性能等優(yōu)點，故被廣泛地應用于自動控制系統(tǒng)和自動 檢測系統(tǒng)中作為執(zhí)行元件，將控制電信號轉(zhuǎn)換為轉(zhuǎn)軸的機械轉(zhuǎn)動。由于伺服電機定位精度相當高，現(xiàn)代位置控制系統(tǒng)已越來越多地采用以交流伺服電機為主要部件的位置控制系統(tǒng)，而且需要在齒輪測量中心上使用旋轉(zhuǎn)電機 +滾珠絲杠的伺服驅(qū)動方式，所以開展了這方面的研究。 近年來，由于伺服電機的應用范圍日益擴展、要求不斷提高，促使它有了很大發(fā)展，出現(xiàn)了許多新型結(jié)構(gòu)。又因系統(tǒng)對電動機快速響應的要求越來越高，使各種低慣量的伺服電機相繼出現(xiàn)，如盤型電樞直流電動機、空心杯電樞直流電動機和電樞繞組直接繞在鐵心上的無槽電樞直流電動機等。 伺服電機是指在伺服系統(tǒng)中控制 機械元件 運轉(zhuǎn)的發(fā)動機，是一種補助馬達間接變速裝置。伺服電機可使控制速度，位置精度非常準確，可以將 電壓 信號轉(zhuǎn)化為 轉(zhuǎn)矩 和轉(zhuǎn)速以驅(qū)動控制對象。伺服電機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速受輸入 信號控制，并能快速反應，在自動控制系統(tǒng)中，用作執(zhí)行元件，且具有機電時間常數(shù)小、線性度高、始動電壓等特性，可把所收到的電信號轉(zhuǎn)換成電動機軸上的角位移或角速度輸出。分為直流和交流伺服電動機兩大類，其主要特點是，當信號電壓為零時無自轉(zhuǎn)現(xiàn)象，轉(zhuǎn)速隨著轉(zhuǎn)矩的增加而勻速下降。 伺服電機的工作原理 伺服系統(tǒng)（ servomechanism）是使物體的位置、方位 、 狀態(tài)等輸出被控量能夠跟隨輸入目標（或給定值）的任意變化的自動控制系統(tǒng)。伺服主要靠 脈沖 來定位，基本上可以這樣理解，伺服電機接收到 1個脈沖，就會旋轉(zhuǎn) 1個脈沖對應的角度，從而實現(xiàn)位移，因為，伺服電機本身具備發(fā)出脈沖的功能，所以伺服電機每旋轉(zhuǎn)一個角度，都會發(fā)出對應數(shù)量的脈沖，這樣，和伺服電機接受的脈沖形成了呼應，或者叫閉環(huán)，如此一來，系統(tǒng)就會知道發(fā)了多少脈沖給伺服電機，同時又收了多少脈沖回來，這樣，就能夠很精確的 控制電機 的轉(zhuǎn)動，從而實現(xiàn)精確的定位，可以達到 。直流伺服 電機 分為有刷和無刷電機。 有刷電機 成本低，結(jié)構(gòu)簡單，啟動 轉(zhuǎn)矩 大，調(diào)速范圍寬，控制容易，需要維護，但維護不方便（換碳刷），產(chǎn)生電磁干擾，對環(huán)境有要求。因此它可以用于對成本敏感的普通 工業(yè)和民用 場合 。 無刷電機體積小，重量輕，出力大，響應快，速度高，慣量小，轉(zhuǎn)動平滑，力矩穩(wěn)定。控制復雜，容易實現(xiàn)智能化，其電子換相 方式 靈活，可以方波換相或正弦波換相。電機免維護，效率很高，運行溫度低，電磁輻射很小，長壽命，可用于各種環(huán)境。 交流伺服電機也是無刷電機，分為同步和 異步電機 ，目前 運動控制 中一般都用同步電機，它的 功率 范圍大，可以做到很大的功率。大慣量，最高轉(zhuǎn)動速度低，且隨著功率增大而快速降低。因而適合做低速平穩(wěn)運行的應用。 伺服電機內(nèi)部的轉(zhuǎn)子是永磁鐵，驅(qū)動器控制的 U/V/W三相電形成電磁場，轉(zhuǎn)子在此磁場的作用下轉(zhuǎn)動，同時電機自帶的編碼器反饋 信號 給驅(qū)動器，驅(qū)動器根據(jù)反饋值與目 常州大學畢業(yè)設計 第 19 頁 共 37 頁 標值進行比較，調(diào)整轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動的角度。伺服電機的精度決定于編碼器的精度（線數(shù)）。 三相永磁同步伺服電動機是目前應用最多的高性能交流伺服電動機。從結(jié)構(gòu)上看，其定子有齒槽，內(nèi)有三相繞組，形狀與普通感應電動機定子相同，但它的轉(zhuǎn)子用強抗退磁的永久磁鐵構(gòu)成，以此形成勵磁磁通。因此，這種電動機無需勵磁電源，效率高。 表： 表 正弦波型三相永磁同步伺服電動機特性 正弦波型三相永磁同步伺服電動機，其轉(zhuǎn)矩均與磁通 Ф 和每相電流幅值 Iam 乘積成正比。 Ф 由永磁鐵產(chǎn)生， Ф 基本不變，于是轉(zhuǎn)矩僅與每相電流幅值 Iam 成 正比。實際運行中， Ф 以轉(zhuǎn)子速度旋轉(zhuǎn)，所以，必須控制 Ф 與定子電流矢量正交才能真正得到表 3一 l所列的轉(zhuǎn)矩表達式，這就是三相永磁同步伺服電機最基本的控制原理。 在他勵直流電動機中，勵磁磁場和電樞磁通勢間的空間角度由電刷和機械換向器所固定，通常情況下，兩者正交，通過調(diào)節(jié)電樞電流就可以直接控制轉(zhuǎn)矩。而在同步磁電動機中，勵磁磁場與電樞磁通勢間的空間角度不是固定的，它隨負載而變化，負載的變化使電樞電流改變，這將引起磁場間復雜的作用關(guān)系。因此，不能簡單地通過調(diào)節(jié)電樞電流來直接控制電磁轉(zhuǎn)矩。倘若通過電動機外的控制系統(tǒng)，即通過 外部條件能對電樞磁通勢相對勵磁磁場進行空間定向控制，就可以直接控制二者間的空間角度，將此稱為磁 常州大學畢業(yè)設計 第 20 頁 共 37 頁 場的“角度控制”。若對電樞電流的幅值也能直接控制，就可將永磁同步電動機模擬為一臺他勵直流電動機，可以獲得與直流電動機同樣的調(diào)速性能。由二 F既需要控制定子電流空間向量的相位，又需要控制其幅值，所以稱為矢量控制。交流伺服驅(qū)動器正是根據(jù)矢量控制算法得出各項電流矢量，通過 PWM電路輸出給伺服電機，從而得到精確的控。