高速狀態(tài)下伺服隨動控制系統(tǒng)設(shè)計與實踐

黃曉偉

摘要：本文通過采用三菱電機FX5-40SSC-S簡易運動控制模塊、FX5U系列可編程控制器、MR-J4W2-22B型伺服放大器和SSCNETⅢ光纖連接，設(shè)計了一種X-Y雙軸伺服隨動控制系統(tǒng)。通過PLC的程序算法設(shè)計，實現(xiàn)了X-Y雙軸伺服運動機構(gòu)控制機構(gòu)跟隨一個可變頻調(diào)速的轉(zhuǎn)盤同步運行，在運動的轉(zhuǎn)盤上實現(xiàn)預(yù)設(shè)的動作要求，該設(shè)計方案對實際應(yīng)用具有一定的參考價值。

Abstract： This paper designs an X-Y dual-axis servo follow-up control system by using Mitsubishi Electric FX5-40SSC-S simple motion control module， FX5U series programmable controller， MR-J4W2-22B servo amplifier and SSCNETⅢ optical fiber connection. Through the programming algorithm design of the PLC， the XY dual-axis servo motion mechanism control mechanism is synchronized to follow a variable-frequency speed-adjustable turntable to achieve preset motion requirements on the moving turntable. This design scheme has certain reference value for practical application.

關(guān)鍵詞：伺服隨動;三菱PLC;簡易運動控制模塊;SSCNETⅢ連接

Key words： servo-suite;Mitsubishi PLC;simple motion control module;SSCNETⅢ connection

中圖分類號：TP275? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標(biāo)識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1006-4311（2020）04-0220-04

0? 引言

在工業(yè)自動化控制系統(tǒng)中，伺服電機控制系統(tǒng)是最常見的電氣控制系統(tǒng)之一，它常常針對自動化系統(tǒng)中的位置、角度和轉(zhuǎn)速進行高精準、快響應(yīng)、超穩(wěn)定的控制。而在伺服控制系統(tǒng)中，能進行隨動控制，讓伺服系統(tǒng)隨運動主軸或其他規(guī)律變化的運動信號而進行同步運行的系統(tǒng)在控制要求上又提出了進一步的要求。本文以三菱電機伺服控制系統(tǒng)為例，通過具體的控制要求，設(shè)計一套伺服隨動系統(tǒng)的解決方案，為伺服控制系統(tǒng)拓寬一下控制方式和控制思路。

1? 系統(tǒng)整體控制要求

在本項目中，具體的控制要求是：要在一個旋轉(zhuǎn)運動的圓盤上畫出一條半徑虛線。畫圓半徑虛線可以分解為伺服跟隨圓盤旋轉(zhuǎn)即兩者相對靜止，然后疊加畫虛線功能。①旋轉(zhuǎn)跟隨功能：畫筆要與不同半徑的圓盤旋轉(zhuǎn)線速度保持一致，即畫虛線半徑前，畫筆要跟隨圓盤運動，相對靜止。②畫半徑虛線功能：伺服系統(tǒng)實現(xiàn)跟隨功能后，要根據(jù)半徑的實時值，計算畫筆運動的切線速度，在圓軌道切換時，通過控制電磁鐵的通斷來畫出圓的半徑虛線。

2? 控制系統(tǒng)模型設(shè)計

控制系統(tǒng)的主要器件全部選用三菱品牌，核心控制器選擇三菱FX5U PLC，增加FX5-40SSC-S簡易運動控制模塊，模塊直接通過SSCNETⅢ連接伺服驅(qū)動器，可以方便實現(xiàn)對伺服電機的運動控制。伺服驅(qū)動器選擇MR-J4W2-22B型，自帶SSCNETⅢ/H型接口，該驅(qū)動器能直接驅(qū)動兩臺伺服電機，可以連接兩臺200W以下的伺服電動機，實現(xiàn)雙軸的各種插補運行。變頻器選擇FR-E740-0.75K、觸摸屏選擇GS2017-WTBD。控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

3? 執(zhí)行機構(gòu)硬件設(shè)計

設(shè)計了系統(tǒng)的執(zhí)行機構(gòu)，其實物圖如圖2所示。在該機構(gòu)中，由2個伺服電機帶動同步帶，組成XY軸十字工作臺，軸上各裝有原點、左右限位傳感器;電磁鐵安裝在龍門架上，控制畫筆的升降運動;三菱變頻器驅(qū)動異步電動機，經(jīng)減速器驅(qū)動圓盤轉(zhuǎn)動;圓盤轉(zhuǎn)軸的下方裝有測速用的旋轉(zhuǎn)編碼器;圓盤下方裝有圓盤檢測零點、用作觸發(fā)信號的接近開關(guān)。

4? 電氣原理圖設(shè)計

控制系統(tǒng)的電氣原理圖設(shè)計如圖3所示。

5? 程序及軟件設(shè)計

根據(jù)控制要求，可以通過旋轉(zhuǎn)平臺下的編碼器進行測速，以一定時間內(nèi)轉(zhuǎn)過的角度θ為基準，可以獲得圓盤旋轉(zhuǎn)的角速度ω，雙軸控制的畫筆移動速度v，時間為t，則可以以圓盤中心為原點建立極坐標(biāo)系（θ，ρ）。在極坐標(biāo)系下，畫筆在旋轉(zhuǎn)圓盤上畫一條從圓心出來的直線r只要符合以下方程組：

5.1 系統(tǒng)控制流程設(shè)計

按照控制要求，在系統(tǒng)啟動后，首先要返回到X軸和Y軸的原點，然后跑到圓心。接下來啟動變頻器，圓盤轉(zhuǎn)動，編碼器進行測速，圓盤零點開始檢測，當(dāng)達到零點時進行半徑的切換，在切換過程中完成線段的劃分。

5.2 伺服參數(shù)系統(tǒng)設(shè)置

在GX Works3軟件中，必須在工程中對FX5-40SSC-S簡單運動控制模塊進行功能設(shè)置。原點回歸方式選擇：近點DOG型，原點回歸方向為：正方向（地址增加方向）。

然后，在軸1中對軸2進行插補設(shè)置，如圖6所示，插補對象軸為軸2，跑直線時選擇ABS直線插補，跑圓弧時選擇INC圓弧插補，插補設(shè)置完成后，可以通過離線模擬進行查看和修正。如圖7所示。

5.3 變頻器參數(shù)設(shè)置

變頻器設(shè)置參數(shù)主要為通信模式修改設(shè)置。參數(shù)設(shè)置表如表1所示。

5.4 人機界面設(shè)計

人機界面設(shè)計主要有以下幾個設(shè)置按鈕：回原點Origin按鈕，變頻啟停Start、Stop按鈕，系統(tǒng)開始運行START按鈕。輸入框為：并平齊運行頻率設(shè)置。顯示框為：AX1軸1位置和AX2軸2位置顯示，變頻器輸出頻率、輸出電流、輸出電壓顯示等。（圖8）

6? 系統(tǒng)整體調(diào)試

系統(tǒng)整體調(diào)試步驟如下：

①回原點：伺服使能上電，回XY軸平臺原點。②找圓心：伺服使能失電，單獨啟動變頻器驅(qū)動圓盤旋轉(zhuǎn)，手動下降畫筆，通過畫圓找到準確的圓心，記錄此時的圓心坐標(biāo)輸入程序。③轉(zhuǎn)速運算：按設(shè)定頻率啟動變頻器，通過旋轉(zhuǎn)編碼器采集高速脈沖，計算得出減速電機的實時轉(zhuǎn)速，并實時顯示。④測試效果：按操作步驟測試后發(fā)現(xiàn)變頻器的最佳運行頻率為18Hz。在該運行頻率下，雙軸伺服系統(tǒng)的隨動運行效果最佳。

7? 總結(jié)

本系統(tǒng)理論設(shè)計上完全符合控制要求和任務(wù)，實際運行效果好。但也存在一些問題，主要是由于電磁鐵帶動畫筆部分機械結(jié)構(gòu)和旋轉(zhuǎn)圓盤平整度有一定偏差，所以開始切入和離開部分有毛刺，拖痕較明顯，繪畫質(zhì)量不十分理想。

參考文獻：

[1]張磊.基于PLC和伺服控制器隨動跟蹤量化計算方法[J].自動化技術(shù)與應(yīng)用，2019（04）：74-76.

[2]林杰文，吳亦鋒.基于PLC的伺服電機運動控制系統(tǒng)設(shè)計[J].機電技術(shù)，2015（05）：20-23，26.

[3]胡志剛.基于三菱PLC的伺服電機控制系統(tǒng)設(shè)計[J].價值工程，2017，36（05）：80-81.