LC在伺服控制系统中的应用.ppt

第5章 PLC在伺服系统中的应用 5.1 PLC在步进电机控制中的应用 l 5.1.1 PLC直接控制步进电机 l 使用PLC直接控制步进电机时，可使用PLC产生控制步 进电机所需要的各种时序的脉冲。例如三相步进电机可采 用三种工作方式： l三相单三拍 l三相双三拍 l三相单双六拍 l 可根据步进电机的工作方式，以及所要求的频率（步进电 机的速度），画出A、B、C各相的时序图。并使用PLC产生 各种时序的脉冲 l 例如：采用西门子S7-300PLC控制三相步进电机的过程。 l要求通过PLC可实现三相步进电机的起停控制、正反转控制 ，以及三种工作方式的切换（每相通电时间为1秒钟）。 l变量约定如下 ： l输入：启动按钮SB1：I0.0 l 方向选择开关SA1：I0.1 l 停止按钮SB2：I0.2 l 三相单三拍方式选择SA2：I0.3 l 三相双三拍方式选择SA3：I0.4 l 三相单双六拍方式选择SA4：I0.5 l输出： A相加电压：Q0.0 B相加电压：Q0.1 C相加电压：Q0.2 启动指示灯：Q0.3 三相单三拍运行方式：Q0.4 三相双三拍运行方式：Q0.5 三相单双六拍运行方式：Q0.6 输出脉冲显示灯： Q0.7 l三相单三拍 正向时序图 l三相双三拍 正向时序图 l三相单双六拍正向时序图 l编程方法1： l 使用定时器指令实现各种时序脉冲的要求：使用定 器产生不同工作方式下的工作脉冲，然后按照控制开关 状态输出到各相对应的输出点控制步进电机。 l M0.0作为总控制状态位，控制脉冲发生指 令是否启动。一旦启动，采用T0、T1、T2以及 它们的组合可以得到三相单三拍和三相双三拍 的两种工作方式下，各相的脉冲信号。如T0的 状态为三相单三拍工作状态下A相的脉冲。同理 可使用类似程序得到三相单双六拍时各相所需 的脉冲信号。 l编程方法2： l 使用移位指令实现各相所需的 脉冲信号。 l例如在MW10中进行移位，每次 移位的时间为1秒钟。如图为三相 单双六拍正向时序流程图，三相 单三拍可利用相同的流程图，从 M11.0开始移位，每次移两位，而 三相双三拍从M11.1开始，每次移 两位。 l在程序段1中，先产生周期为1秒钟的脉冲信号。 l在不同的工作方式下赋予MW10不同的初值。 l程序段2：三相单三拍或三相单双六拍工作方式 ，此时均从M11.0开始移位，两种工作方式均为 M11.6为“1”时返回。 l程序段3：三相双三拍工作方式，此时从M11.1 开始因为，而在M11.7时返回。 l程序段4：若按下停止按钮或没有选择工作方式 时，MW10中的内容为“0”，则不会有输出。 l在不同的工作方式下，将移位指令移动的位数 保存在MW20中。 MW20 l程序段5：三相单三拍或三相双三拍，每次应移 动2位。 l程序段6：三相单双六拍，每次应移动一位。 l程序段7：为移位指令，由于T1的周期为1秒钟 ，因此每间隔1秒钟，移位指令左移指定的位数 。再将MW10中对应的位控制相应的输出，可实 现步进电机的控制。步进电机的反向控制可根据 相同的办法来实现。 l 5.1.2 PLC与步进电机驱动器配合 l 在对步进电机进行控制时，常常会采用步进 电机驱动器对其进行控制。步进电机驱动器采用 超大规模的硬件集成电路，具有高度的抗干扰性 以及快速的响应性，不易出现死机或丢步现象。 使用步进电机驱动器控制步进电机，可以不考虑 各相的时序问题（由驱动器处理），只要考虑输 出脉冲的频率（控制驱动器CP端），以及步进电 机的方向（控制驱动器的DIR端）,PLC的控制程 序也简单得多。 l l 但是，在使用步进电机驱动器时，往往需要较 高频率的脉冲。西门子CPU312C、CPU313C、 CPU313-2DP等型号，集成有用于高速计数以及高 频脉冲输出的通道，可用于高速计数（最高频率 30kHz）或高频脉冲输出（最高频率2.5kHz）。 l 下面以CPU313C为例，说明CPU模块集成的高 频脉冲输出功能的控制过程。 l CPU313C集成有3个用于高速计数或高频脉冲 输出的特殊通道，3个通道位于CPU313C集成数字 量输出点首位字节的最低三位，这三位通常情况下 可以作为普通的数字量输出点来使用。再需要高频 脉冲输出时，可通过硬件设置定义这三位的属性， 将其作为高频脉冲输出通道来使用。 l 作为普通数字量 输出点使用时，其系 统默认地址为Q124.0 、Q124.1、Q124.2（ 该地址用户可根据需 要自行修改），作为 高速脉冲输出时，对 应的通道分别为0通 道、1通道、2通道（ 通道号为固定值，用 户不能自行修改）。 每一通道都可输出最 高频率为2.5KHZ（ 周期为0.4ms）的高 频脉冲。 l CPU313C中，X2前接线端子22、23、24号接 线端子分别对应通道0、通道1、和通道3。另外 ，每个通道都有自己的硬件控制门，0通道的硬 件门对应X2前接线端子的4号接线端子，对应的 输入点默认地址为I124.2。1通道硬件门7号接线 端子，对应的输入点默认地址为I124.5，而2号通 道硬件门为12号接线端子，对应的输入点默认地 址为I125.0。 l 控制通道产生高频脉冲分为以下两个步骤： l 硬件设置 l 调用系统功能块SFB49 l（1）硬件设置 l需先将Count的工作模式设置为：Pulse-width modulation（脉宽调制） l然后再在Pulse-Width Modulation标签内对设置 脉冲参数。 l输出格式（output-format）有两种选择，每密 耳（Per mile）和S7模拟量值（S7 analog value） 。选择Per mil，则输出格式取值范围为（01000 ），选择S7 analog value，则输出格式取值范围 为（027648，S7模拟量的最大取值为27648）。 输出格式的取值在调用系统功能块SFB49时设置 的，这一取值将会影响输出脉冲的占空比，具体 内容将在后面介绍SFB49时提到。 l时基（Time base）也有两种选择（0.1ms， 和1ms），可根据实际需要选择合适的时基，要 产生频率较高的脉冲，可选择较短的时基（ 0.1ms）。 l接通延时（On-delay）：当控制条件成立时 ，对应通道将延时指定时间后输出高频脉冲。 指定时间值为设置值*时基。取值范围为 065535。 lPeriod：指定输出脉冲的周期。取值范围为 465535。 l 周期=设置值*时基。 l最小的脉冲宽度（Minimum pulse）：指定 输出脉冲的最小脉宽，最小脉宽的取值范围为 2Period/2。注意：在指定了最小脉冲宽度以后 ，应该保证根据占空比计算出来的高低电平的 时间不小于最小脉冲宽度，否则脉冲将不能正 常输出。 l硬件门（Hardware gate）：如果选中硬件 ，则高频脉冲的控制需要硬件门和软件门同时 控制，如果不选，则高频脉冲输出单独由软件 门控制。 lHardware Interrupt（硬件中断选择）：一 旦选中硬件门控制以后，此选项将被激活，用 户可根据需要选择是否在硬件门起动时刻，调 用硬件中断组织块OB40中的程序。 l （2）调用系统功能块SFB49 l 除上述设置外，要想在相应的通道上获得 脉冲，除了硬件设置以外，还必须在程序中调 用产生脉冲的系统功能块SFB49（符号名为 “PULSE”），并分配SFB49的参数。系统功能 块SB49的参数很多，可根据自己的控制需要进 行选择性填写。 l 在SFB49的所有输入参数中主要有两部分， 一部分是用来控制脉冲输出或作为数字量输出的 控制变量；另外一部分则是用来修改脉冲参数： 例如脉冲周期，延时时间，最小脉宽等。 l参数LADDR：子模块的地址，数据类型为字。 可在硬件组态时进行地址配置。其默认值为 W#16#300，即输入输出映像区第768个字节。若 通道集成在CPU模块中，则此参数可以不用设置 ，若通道在某个子功能模块上，则必须保证此参 数的地址与模块设置的地址一致。 l参数CHANNEL：通道号，数据类型为整数。此 参数指定启用的通道号，CPU313C具有3个通道 的高频脉冲输出，通道号分别为0、1、2。如启动 2号通道，则参数值为：2。若通道号大于2，则在 执行功能块时，将发出出错信息。 l参数SW_EN：为软件 控制门，数据类型为 BOOL。SFB49是通过 门功能（Gate Function ）控制高频脉冲的起动 输出的。门功能中包括 硬件门（hardware gate ）和软件门（software gate）两种：可根据需 要设置为单独使用软件 门控制或同时使用硬件 门和软件门控制。门功 能工作过程如图所示。 l单独使用软件门控制时，在硬件设置时，不能 启用硬件门（hardware gate）控制。此时，高 频脉冲输出单独由软件门SW_EN端控制，即 SW_EN端为“1”时，脉冲输出指令开始执行（ 延时指定时间后输出指定周期和脉宽的高频脉 冲），当SW_EN端为“0”时，高频脉冲停止输 出。 l 采用硬件门和软件门同时控制时，需要在硬 件设置中，启用硬件门控制。当软件门的状态 先为“1”，同时在硬件门有一个上升沿时，将启 动内部门功能，并输出高频脉冲（延时指定时 间输出高频脉冲）。当硬件门的状态先为“1”， 而软件门的状态后变为“1”，则门功能不启动， 若软件的状态保持“1”，同时在硬件门有一个下 降沿发生，也能启动门功能，输出高频脉冲。 当软件门的状态变为“0”，无论硬件门的状态如 何，将停止脉冲输出。 l参数MAN_DO：手动输出使能端。一旦通道 在硬件组态时设置为脉宽调制功能，则该通道 不能使用普通的输出线圈指令对其进行写操作 控制，要想控制该通道必须调用功能块SFB49 对其进行控制。如果还想在该通道得到持续的 高电平（非脉冲信号），则可以通过MAN_DO 控制端实现。当MAN_DO端为“1”时，指定通 道不能输出高频脉冲，只能作为数字量输出点 使用。当MAN_DO端为“0”时，则指定通道只 能作为高频脉冲输出通道使用输出指定频率的 脉冲信号。 l参数SET_DO：数字量输出控制端。当 MAN_DO端的状态为“1”时，可通过SET_DO 端控制指定通道的状态是为高电平“1”，还是低 电平“0”。如果MAN_DO端的状态为“0”，则 SET_DO端的状态不起作用，不会影响通道的 状态。 l参数OUTP_VAL：输出值设置。输出值参数 数据类型为整数。在硬件设置中我们只指定了 脉冲的周期，延时时间以及最小脉宽等，并没 有指定脉冲的占空比。参数OUTP_VAL就是用 来指定脉冲占空比的。 l输出脉冲高电平时间长度为： l 在硬件设置时，如果选择输出形式（Output- format）为Per mil，则： l Pulse width（脉宽）= （OUTP_VAL/1000）* period（周期） l 在硬件设置时，如果选择输出形式为S7模拟 量值（S7 analog value）时，则： l Pulse width（脉宽）= （OUTP_VAL/27648）* period（周期） 5.2 PLC在伺服控制的中应用 l 5.2.1 高速计数器在伺服控制中的应用 l 数字式位置伺服里经常采用旋转编码器作为 检测元件，根据其脉冲计数值间接测得位置值。 l 由于编码器的脉冲频率较高，不能通过PLC 的普通DI口输入。为此一些PLC专门为编码器这 类的高速脉冲输入信号设计了高速计数器。如S7- 300C类的PLC的CPU模块中就集成了高速计数器 。 l 使用集成计数器功能可方便地完成对增量型 编码器脉冲的计数，从而实现伺服系统中的角度 和位移检测，借助软件也可实现速度的检测。 l1. 计数器的计数功能 l计数模式： 连续计数、 一次计数、 周期性计数 l 门功能：用于开始、停止和中断计数功能。 l 锁存器功能：可使用此功能在数字输入出现正跳 沿时保存当前的内部计数值。 l 比较器：可在 CPU 中存储比较值。根据计数值和 比较值，可激活数字输出或生成硬件中断。 l 滞后：可指定数字输出的滞后。这样，当计数值 在比较值范围内时，可防止因编码器信号的每次轻 微抖动而造成数字输出抖动。 l 硬件中断 l 周期测量：可以测量计数信号（最大计数频率为 1 kHz）的周期。 l与计数功能相关的端子 l地址对照： l（1）硬件设置 l 1）工作模式： l连续计数： l CPU 从 0 或装载值开始计数。 l 向上计数达到上限时，它将在出现下一正计 数脉冲时跳至下限处，并从此处恢复计数。 l 向下计数达到下限时，它将在出现下一负计 数脉冲时跳至上限处，并从此处恢复计数。 l一次计数： l CPU 从装载值开始计数一次。 l 计数限值处发生上溢或下溢时，计数器将跳 至相反的计数限值，且门自动关闭。 l 要重新启动计数，必须在门控制处生成一个 正跳沿。 l停止门控制时，将从当前计数开始重新计数。 l取消门控制时，将从装载值开始重新计数。 l周期性计数： l CPU 根据声明的缺省计数方向执行周期性计 数。 l无缺省计数方向时： l CPU 从装载值开始计数。 l CPU 向上或向下计数。 l 在相应的计数限值处上溢或下溢时，计数 器将跳至装 载值并从该值开始恢复计数。 l 计数限值设置为最大范围。 l缺省为向上计数： l CPU 从装载值开始计数。 l CPU 向上或向下计数。 l 计数器沿正方向计数到结束值-1 后，将在出现下一个 正计数脉冲时跳回至装载值，并从该值开始恢复计 数。 l缺省为向下计数： CPU 从装载值开始计数。 l CPU 向上或向下计数。 l 计数器沿负方向计数到值 1 后，将在出现下一个 负计数脉冲时跳回至装载值（开始值），并该值 开始恢复计数。 l）计数选型卡设置 l计数选项参数说明： l（2）通过用户程序控制计数器 l 要从用户程序中控制计数器，可用 SFB COUNT (SFB 47)。 l可使用下列功能： l 通过软件门 SW_GATE 启动/停止计数器 l 启用/控制输出 DO l 读出状态位 l 读取当前计数值和锁存器值 l 用于读/写内部计数寄存器的作业 l 读出当前周期（不与块互连，但仅在背景数 据块中可用） lSFB47的输入参数： lLADDR： WORD型，在“HW Config”中指定 的子模块 I/O 地址。 lCHANNEL： INT型，通道号 lSW_GATE ：BOOL型， 软件门，用于控制计 数器的启动/停止。 lCTRL_DO： BOOL型，启用输出。 lSET_DO ：BOOL型，控制输出。 l 除上述参数外，还有许多未与模块连接的一 些输入参数。 lSTS_GATE： BOOL型， 内部门状态。 lSTS_STRT： BOOL型， 硬件门状态STS_LTCH ：BOOL型， 锁存器输入状态 lSTS_DO： BOOL型，输出状态 lSTS_C_DN：BOOL型，向下计数的状态。 l始终指示最后的计数方向。在第一次调用 SFB 之 l后，STS_C_DN 的值为 FALSE。 lSTS_C_UP ：BOOL型，向上计数的状态。 l始终指示最后的计数方向。在第一次调用 SFB 之 l后，STS_C_UP 的值为 TRUE。 lCOUNTVAL： DINT型， 当前计数值 lLATCHVAL： DINT型， 当前锁存器值 l可以使用作业接口来读/写计数寄存器 lJOB_REQ： BOOL型 ， 作业请求（正跳沿）。 JOB_ID： WORD型， 作业号（16进制）。 00不带有功能的作业；01写入计数 值；02写装载值；04写入比较值；08写入滞 后； 10写入脉冲持续时间；82读装载； 84读比较值；88读取滞后；90读取 脉冲持续时间 JOB_VAL： DINT型， 写作业的值。 lJOB_DONE：BOOL型，可启动新作业。 JOB_ERR：BOOL型，错误作业。 JOB_STAT：WORD型，作业错误编号 JOB_OVAL：DINT型，读取作业的输出值 lJOB_DONE：BOOL型，可启动新作业 lJOB_ERR：BOOL型，错误作业 lJOB_STAT：WORD型，作业错误编号 lJOB_OVAL：DINT型，读取作业的输出值 lSFM47的调用 l2. 位置伺服 l 在位置伺服中，高速计数器可与增量型编码器 配和使用，从而获得位置信息。 l 位置信息是相对某一起始位置的相对位移， 编码器试需要可安装在电机轴或传动轴上。依编 码器发出的脉冲数，通过计算可得到位置信息。 l 下面示例是一个伺服电机丝杠系统位置计算 程序。此例中，编码器安装在电机轴上。 l 该程序是一个FC程序，包括两个输入参数， 其中，CNT_PV0是某一位置时SFB47的计数值， CNT_PV是SFB47的当前计数值，这两个参数是在 其它程序块中通过SFB47得到的。该FC的输出 POSI_PV是当前位置值（mm）。 l 此程序是通用计算程序，对于确定的系统也 可采用简单的方式获得： l 位移=脉冲当量数*脉冲数 l 脉冲当量数是事先计算好的每个脉冲代表的 实际位移量。 l 利用位置信息可以进行位置控制，通常PLC 进行位置控制时，是通过伺服电机驱动器来控 制电机的。位置控制时，控制器一般采用纯比 例控制器。 比例控制驱动器伺服电机传动机构 编码器位置计算 设定 PLC l 有时也可采用不使用比例控制器的简单闭环 控制形式。此方式下进行位置控制时，一般是在 远离目标点时，令伺服电机高速运行，以便快速 靠近目标。当到达目标附近时，为获得较为精确 的位置控制，通常要进行减速。然后，在到达目 标时，使电机停转。若系统惯性较大，还应注意 停转预量的设置，即提前停转。 l 下面的示例是采用比较方式的部分程序。其 中 ，#MA是到位信号，可用此信号控制电机停转 。 l3. 速度伺服 l 速度控制可用于速度单闭环控制，也可作为位 置控制时的内环使用。速度控制器一般采用PI控 制器。 驱 动 器 伺 服 电 机 传 动 机 构 编码器位置计算 设定 PLC P 控 制 器 PI 控 制 器 速度计算 l 利用编码器脉冲信号计算速度时，可采用一 定时间段的脉冲计数值来计算速度。例如：在 100ms内高速计数器的脉冲计数值为N，若编码 器每转的脉冲数为K，则转速为： l n=N1060/K l 对于采用伺服驱动器的系统，一般驱动器的 速度控制信号是电压或电流信号，可由PLC的 D/A通道控制。 l 下面示例给出了速度控制的部分程序。 l 5.2.2 S7-300PLC的定位控制功能 l 某些型号的CPU模块内集成了定位功能，如 CPU314C-2DP/PtP集成了一个轴的定位功能，可 采用模拟输出或数字输出来进行定位控制。 l 使用模拟输出时，固定使用集成的模拟量输 出0通道作为输出通道。（单极性电源时需使用集 成的Q0.7 点控制方向） l 使用数字量输出时，固定使用集成的数字量 输出点Q1.0、 Q1.1、Q1.2和 Q1.3作为输出点，视 组态的控制模块来控制快速/慢速、正转/反转。 l 使用24位增量编码器作为位置反馈。 l端子分配X1 l端子分配X2 l1.使用模拟量输出进行定位 l（1）硬件组态 l 基本参数的组态方法与与前面计数器中基本 参数的组态类似。然后是与定位控制相关的选 项卡的组态，包括驱动器参数组态、轴参数组 态和编码器参数组态。此外还有诊断参数组态 。 l驱动器参数组态 l轴参数组态 l编码器组态 l（2）系统功能 块SFB44 l 为便于在程序 中使用和控制定 位功能，系统提 供了一个系统功 能块SFB44 ，具有点动、参 考点逼近、相对 增量逼近及绝对 增量逼近 等控制 模式。 l输入参数 l其它输入参数与具体运行模式有关。 l输 出 参 数 l1）点动模式（MODE_IN = 1） l 通过置位控制位 DIR_P 或 DIR_M 启动驱动 器。 l 每次调用 SFB 时，都会对 DIR_P 和 DIR_M 这两个控制位进行评估以便检查逻辑级的更改 。 l 如果这两个控制位均为 FALSE，则运行将减 速。 l 如果这两个控制位均为 TRUE，则运行也将 减速。 l 当其中一个控制位置位为 TRUE 时，轴将在 相应方向上