基于工業(yè)觸摸屏的伺服電機(jī)控制系統(tǒng)研究

摘 要：介紹了系統(tǒng)中工業(yè)觸摸屏，伺服電機(jī)和PLC的選用情況，闡述了伺服電機(jī)控制系統(tǒng)的構(gòu)成和功能，著重分析了工業(yè)觸摸屏控制伺服電機(jī)的工作原理，工業(yè)觸摸屏作為新型人機(jī)界面，界面友好，應(yīng)用日趨廣泛。

關(guān)鍵詞：工業(yè)觸摸屏；可編程控制器；伺服電機(jī)；人機(jī)界面

1 系統(tǒng)構(gòu)成

系統(tǒng)主要由HMI（人機(jī)界面）、PLC（可編程控制器）、伺服驅(qū)動(dòng)器、伺服電機(jī)和輸送帶組成，見圖1。

圖1 系統(tǒng)構(gòu)成圖

伺服電機(jī)選用松下的MHMD022P1U永磁同步交流伺服電機(jī)。伺服電機(jī)是系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)的執(zhí)行單元，負(fù)責(zé)對(duì)外輸出動(dòng)力。交流伺服電機(jī)內(nèi)部的轉(zhuǎn)子是永磁鐵，驅(qū)動(dòng)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(dòng)，同時(shí)電機(jī)自帶的編碼器反饋信號(hào)給驅(qū)動(dòng)器，驅(qū)動(dòng)器根據(jù)反饋值與目標(biāo)值進(jìn)行比較，調(diào)整轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)的角度。

PLC選用西門子200系列PLC。PLC作為控制單元，是整個(gè)系統(tǒng)的控制核心，考慮到伺服電機(jī)的控制要求，選擇S7-200-226 DC/DC/DC作為控制單元，該型號(hào)的PLC可以生成高速脈沖串，實(shí)現(xiàn)對(duì)伺服電機(jī)的控制。

工業(yè)觸摸屏選用昆侖通泰的TPC7062K。工業(yè)觸摸屏主要用于監(jiān)控系統(tǒng)狀態(tài)，界面上面的虛擬按鈕可產(chǎn)生相應(yīng)的信號(hào)傳輸給PLC，PLC進(jìn)一步控制伺服電機(jī)。它同時(shí)實(shí)現(xiàn)對(duì)伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)向、轉(zhuǎn)速和行程的監(jiān)控。

2 系統(tǒng)運(yùn)行要求

輸送帶在伺服電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)下從原點(diǎn)開始向右運(yùn)動(dòng)服，先運(yùn)動(dòng)470mm，停止運(yùn)行10s；再向右運(yùn)行286mm，停止10s；然后高速回零，向左運(yùn)行600mm；最后低速返回零點(diǎn)。

3 控制系統(tǒng)的工作原理

工業(yè)觸摸屏的組態(tài)在MCGS組態(tài)軟件上編輯，通過軟件元件庫的元件調(diào)用，可以快速地設(shè)計(jì)出所需組態(tài)。組態(tài)從PC下載到工業(yè)觸摸屏，即可使用。工業(yè)觸摸屏與PLC通過RS-485通信電纜連接可實(shí)現(xiàn)信息互通。

3.1 工業(yè)觸摸屏控制伺服電動(dòng)機(jī)

圖2 HMI控制伺服電機(jī)原理圖

通過手指觸摸HMI上的啟動(dòng)按鈕開關(guān)，工業(yè)觸摸屏存儲(chǔ)器中的數(shù)據(jù)對(duì)象的數(shù)值由“0”變“1”，觸摸屏的這一變化通過數(shù)據(jù)線傳遞到PLC，PLC中的I區(qū)中對(duì)應(yīng)的存儲(chǔ)單元的數(shù)值也由“0”變“1”，PLC根據(jù)這一數(shù)據(jù)的變化發(fā)出啟動(dòng)伺服電機(jī)的指令。如圖2所示。

3.2 工業(yè)觸摸屏監(jiān)視伺服電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行情況

輸送帶運(yùn)動(dòng)方向和運(yùn)動(dòng)距離由光電編碼器進(jìn)行檢測，光電編碼器產(chǎn)生的高速脈沖，由PLC的高速計(jì)數(shù)器進(jìn)行計(jì)數(shù)，計(jì)數(shù)的結(jié)果和旋轉(zhuǎn)方向存儲(chǔ)在PLC的D區(qū)，D區(qū)的數(shù)值通過數(shù)據(jù)線上傳到工業(yè)觸摸屏的存儲(chǔ)單元中，當(dāng)數(shù)據(jù)對(duì)象的數(shù)值發(fā)生變化時(shí)，對(duì)應(yīng)的人機(jī)界面中的位置顯示滑塊同步發(fā)生移動(dòng)，實(shí)時(shí)顯示輸送帶的位移。

4 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

4.1 工業(yè)觸摸屏組態(tài)設(shè)計(jì)

在組態(tài)軟件上創(chuàng)建一個(gè)主頁面，利用工具庫中繪圖工具，繪制出伺服電機(jī)、驅(qū)動(dòng)器、PLC、觸摸屏的圖形，同時(shí)從元件庫中調(diào)出啟動(dòng)，停止和急停觸摸按鈕，再從元件庫中調(diào)出顯示輸送帶位置的滑塊，用字符串對(duì)按鈕進(jìn)行標(biāo)注和說明。

4.2 PLC程序的設(shè)計(jì)

PLC的梯形圖是在西門子編程軟件上完成的，梯形圖的設(shè)計(jì)要結(jié)合觸摸屏畫面的設(shè)計(jì)進(jìn)行考慮。通過編程軟件的位置控制向?qū)?，可以方便地生成控制伺服電機(jī)的子程序，然后根據(jù)需要調(diào)用子程序，通過這種方式控制伺服電機(jī)，大大降低了編程的難度。PLC作為系統(tǒng)的控制核心，負(fù)責(zé)伺服電機(jī)運(yùn)動(dòng)的控制和光電編碼器的脈沖計(jì)數(shù)。PLC的Q0.0產(chǎn)生脈沖串驅(qū)動(dòng)伺服電機(jī)運(yùn)動(dòng)，Q0.1控制伺服電機(jī)的旋轉(zhuǎn)方向。光電編碼器生成的AB兩相脈沖分別接到I0.0和I0.1上，由PLC實(shí)現(xiàn)高速計(jì)數(shù)和旋轉(zhuǎn)方向的判定。

4.2.1 控制電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)

松下伺服驅(qū)動(dòng)器由7種控制運(yùn)行方式，即位置控制，速度控制，轉(zhuǎn)矩控制，位置/速度控制，位置/轉(zhuǎn)矩控制，速度/轉(zhuǎn)矩控制，全閉環(huán)控制。本系統(tǒng)選用“位置控制”方式，利用PLC控制驅(qū)動(dòng)器，PLC的Q0.0和Q0.1分別控制電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)角度和轉(zhuǎn)動(dòng)方向[1]。當(dāng)Q0.1的電壓為高電平時(shí)，電機(jī)正轉(zhuǎn)，反之則反轉(zhuǎn)；當(dāng)Q0.0產(chǎn)生一個(gè)脈沖時(shí)，電機(jī)伺服電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)一步。轉(zhuǎn)動(dòng)速度由Q0.0輸出脈沖的頻率決定，頻率越高，速度越快[2]。

4.2.2 高速計(jì)數(shù)器

西門子S7-200PLC具有內(nèi)置高速計(jì)數(shù)器，對(duì)光電編碼器返回的輸入脈沖進(jìn)行高速計(jì)數(shù)。光電編碼器返回的脈沖A相和B相分別接到PLC的I0.0和I0.1端子上，采用第9種計(jì)數(shù)模式，選用計(jì)數(shù)器HSC0進(jìn)行計(jì)數(shù)，計(jì)數(shù)倍頻為4倍頻。由于系統(tǒng)簡單相對(duì)，可以不考慮中斷子程序，和預(yù)置值等。

計(jì)數(shù)程序使用編程向?qū)?，很容易自?dòng)生成符號(hào)地址為“HSC_INIT”的子程序。如圖4所示。在主程序塊中使用SM0.0（上電首次掃描ON）調(diào)用此子程序，即完成高速計(jì)數(shù)器定義并啟動(dòng)計(jì)數(shù)器。

參考文獻(xiàn)

[1]王麗平.基于西門子PLC的兩種位置控制方式分析[J].機(jī)電信息，2016（3）：90-91.

[2]周彬.基于S7-200 PLC的位置控制系統(tǒng)構(gòu)建[J].產(chǎn)業(yè)與科技論壇，2014（9）：60-62.

作者簡介：李瑞鋒（1979，4-），男，河南安陽，陜西航空職業(yè)技術(shù)學(xué)院，機(jī)電工程師，碩士研究生，主要研究方向：機(jī)械電子工程。