本文主要詳解PLC控制伺服系統(tǒng)步驟，首先介紹了PLC工作原理以及PLC控制伺服電機(jī)3種方式，其次闡述了西門子PLC控制的伺服控制系統(tǒng)，具體的跟隨小編一起來了解一下。

PLC工作原理

PLC是采用“順序掃描，不斷循環(huán)”的方式進(jìn)行工作的。即在PLC運(yùn)行時(shí)，CPU根據(jù)用戶按控制要求編制好并存于用戶存儲(chǔ)器中的程序，按指令步序號(hào)（或地址號(hào)）作周期性循環(huán)掃描，如無跳轉(zhuǎn)指令，則從第一條指令開始逐條順序執(zhí)行用戶程序，直至程序結(jié)束。然后重新返回第一條指令，開始下一輪新的掃描。在每次掃描過程中，還要完成對(duì)輸入信號(hào)的采樣和對(duì)輸出狀態(tài)的刷新等工作。

PLC的一個(gè)掃描周期必經(jīng)輸入采樣、程序執(zhí)行和輸出刷新三個(gè)階段。

PLC在輸入采樣階段：首先以掃描方式按順序?qū)⑺袝捍嬖谳斎腈i存器中的輸入端子的通斷狀態(tài)或輸入數(shù)據(jù)讀入，并將其寫入各對(duì)應(yīng)的輸入狀態(tài)寄存器中，即刷新輸入。隨即關(guān)閉輸入端口，進(jìn)入程序執(zhí)行階段。

PLC在程序執(zhí)行階段：按用戶程序指令存放的先后順序掃描執(zhí)行每條指令，經(jīng)相應(yīng)的運(yùn)算和處理后，其結(jié)果再寫入輸出狀態(tài)寄存器中，輸出狀態(tài)寄存器中所有的內(nèi)容隨著程序的執(zhí)行而改變。

輸出刷新階段：當(dāng)所有指令執(zhí)行完畢，輸出狀態(tài)寄存器的通斷狀態(tài)在輸出刷新階段送至輸出鎖存器中，并通過一定的方式（繼電器、晶體管或晶閘管）輸出，驅(qū)動(dòng)相應(yīng)輸出設(shè)備工作。

PLC控制伺服電機(jī)3種方式

1、轉(zhuǎn)矩控制

轉(zhuǎn)矩控制方式是通過外部模擬量的輸入或直接的地址的賦值來設(shè)定電機(jī)軸對(duì)外的輸出轉(zhuǎn)矩的大小，具體表現(xiàn)為例如10V對(duì)應(yīng)5Nm的話，當(dāng)外部模擬量設(shè)定為5V時(shí)電機(jī)軸輸出為2.5Nm：如果電機(jī)軸負(fù)載低于2.5Nm時(shí)電機(jī)正轉(zhuǎn)，外部負(fù)載等于2.5Nm時(shí)電機(jī)不轉(zhuǎn)，大于2.5Nm時(shí)電機(jī)反轉(zhuǎn)（通常在有重力負(fù)載情況下產(chǎn)生）?？梢酝ㄟ^即時(shí)的改變模擬量的設(shè)定來改變?cè)O(shè)定的力矩大小，也可通過通訊方式改變對(duì)應(yīng)的地址的數(shù)值來實(shí)現(xiàn)。

應(yīng)用主要在對(duì)材質(zhì)的受力有嚴(yán)格要求的纏繞和放卷的裝置中，例如饒線裝置或拉光纖設(shè)備，轉(zhuǎn)矩的設(shè)定要根據(jù)纏繞的半徑的變化隨時(shí)更改以確保材質(zhì)的受力不會(huì)隨著纏繞半徑的變化而改變。

2、位置控制

位置控制模式一般是通過外部輸入的脈沖的頻率來確定轉(zhuǎn)動(dòng)速度的大小，通過脈沖的個(gè)數(shù)來確定轉(zhuǎn)動(dòng)的角度，也有些伺服可以通過通訊方式直接對(duì)速度和位移進(jìn)行賦值。由于位置模式可以對(duì)速度和位置都有很嚴(yán)格的控制，所以一般應(yīng)用于定位裝置。

應(yīng)用領(lǐng)域如數(shù)控機(jī)床、印刷機(jī)械等等。

3、速度模式

通過模擬量的輸入或脈沖的頻率都可以進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)速度的控制，在有上位控制裝置的外環(huán)PID控制時(shí)速度模式也可以進(jìn)行定位，但必須把電機(jī)的位置信號(hào)或直接負(fù)載的位置信號(hào)給上位反饋以做運(yùn)算用。

位置模式也支持直接負(fù)載外環(huán)檢測(cè)位置信號(hào)，此時(shí)的電機(jī)軸端的編碼器只檢測(cè)電機(jī)轉(zhuǎn)速，位置信號(hào)就由直接的最終負(fù)載端的檢測(cè)裝置來提供了，這樣的優(yōu)點(diǎn)在于可以減少中間傳動(dòng)過程中的誤差，增加了整個(gè)系統(tǒng)的定位精度。

西門子PLC控制的伺服控制系統(tǒng)詳解

以SINAMICS V80系統(tǒng)為例說明。SINAMICS V80伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)包括伺服驅(qū)動(dòng)器和伺服電機(jī)兩部分，伺服驅(qū)動(dòng)器總是與其對(duì)應(yīng)的同等功率的伺服電機(jī)一起配套使用。SINAMICS V80伺服驅(qū)動(dòng)器通過脈沖輸入接口來接受從上位控制器發(fā)來的脈沖序列，進(jìn)行速度和位置的控制，通過數(shù)字量接口信號(hào)來完成驅(qū)動(dòng)器運(yùn)行的控制和實(shí)時(shí)狀態(tài)的輸出。

驅(qū)動(dòng)器上有一個(gè)脈沖設(shè)置旋轉(zhuǎn)開關(guān)用來設(shè)計(jì)脈沖分辨率以及指令脈沖類型的。本設(shè)計(jì)選擇3，對(duì)應(yīng)的分辨率是10000。驅(qū)動(dòng)器的四個(gè)連接器X1、X2、X10和X20相應(yīng)的功能如圖3所示：

伺服電機(jī)控制系統(tǒng)的硬件組成如圖 4 所示。S7-200根據(jù)要求發(fā)出高速脈沖和電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的方向信號(hào)，經(jīng)過驅(qū)動(dòng)器控制伺服電機(jī)旋轉(zhuǎn)；電機(jī)旋轉(zhuǎn)編碼器的輸出信號(hào)通過驅(qū)動(dòng)器形成A 相和B 相正交信號(hào)，經(jīng)信號(hào)轉(zhuǎn)換以后作為S7-200 高速計(jì)數(shù)器的信號(hào)源，形成以S7-200 為處理器的閉環(huán)控制系統(tǒng)。伺服電機(jī)、伺服驅(qū)動(dòng)器和S7-200PLC 之間采用屏蔽電纜連接。

在伺服電機(jī)運(yùn)行設(shè)計(jì)時(shí)，考慮到伺服電機(jī)的平穩(wěn)啟停，設(shè)計(jì)了三段式脈沖方式，其示意圖如5所示。脈沖是分三段式走，即上升、恒速、下降三段，上升段是啟動(dòng)時(shí)速度從一個(gè)比較低的值上升到一個(gè)比較高的值，下降段是電機(jī)制動(dòng)時(shí)速度從一個(gè)比較高的值一直減小到一個(gè)比較小的值，這樣有利于保護(hù)電機(jī)。定義上升和下降段都是走一百個(gè)脈沖，則剩余需走的脈沖在恒速段高速走完。另外當(dāng)需走的脈沖數(shù)少于兩百個(gè)時(shí)，就以單段低速走，在每個(gè)脈沖子程序中都會(huì)先判斷是以單段式走還是以三段式走。

圖5 三段式脈沖示意圖

為了配合步進(jìn)和伺服電動(dòng)機(jī)的控制，西門子PLC內(nèi)置了脈沖輸出功能，并設(shè)置了相應(yīng)的控制指令，可以很好地對(duì)步進(jìn)和伺服電動(dòng)機(jī)進(jìn)行控制。

本節(jié)將重點(diǎn)講解西門子S7-200 PLC脈沖輸出功能和步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的控制，伺服電動(dòng)機(jī)的控制與步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的基本相同。S7-300/400 PLC中也可以通過FM模塊實(shí)現(xiàn)步進(jìn)和伺服控制，思路與S7-200 PLC一致，本節(jié)不再介紹。

1. 脈沖輸出（PLS）指令

脈沖輸出（PLS）指令功能為：使能有效時(shí)，檢查用于脈沖輸出（Q0.0或Q0.1）的特殊存儲(chǔ)器位（SM），然后執(zhí)行特殊存儲(chǔ)器位定義的脈沖操作。指令格式如表9-3所示。

2. 用于脈沖輸出（Q0.0或Q0.1）的特殊存儲(chǔ)器

每個(gè)PTO/PWM發(fā)生器都有一個(gè)控制字節(jié)（8位）、一個(gè)脈沖計(jì)數(shù)值（無符號(hào)的32位數(shù)值）、一個(gè)時(shí)間周期和脈寬值（無符號(hào)的16位數(shù)值）。這些值都放在特定的特殊存儲(chǔ)區(qū)（SM），如表9-4所示。執(zhí)行PLS指令時(shí)，S7-200讀這些特殊存儲(chǔ)器位（SM），然后執(zhí)行特殊存儲(chǔ)器位定義的脈沖操作，即對(duì)相應(yīng)的PTO/PWM發(fā)生器進(jìn)行編程。

3. Q0.0和Q0.1的共用

PTO/PWM生成器和輸出映像寄存器共用Q0.0和Q0.1。在Q0.0或Q0.1使用PTO或PWM功能時(shí)，PTO/PWM發(fā)生器控制輸出，并禁止輸出點(diǎn)的正常使用，輸出波形不受輸出映像寄存器狀態(tài)、輸出強(qiáng)制、執(zhí)行立即輸出指令的影響；在Q0.0或Q0.1位置沒有使用PTO或PWM功能時(shí)，輸出映像寄存器控制輸出，所以輸出映像寄存器決定輸出波形的初始和結(jié)束狀態(tài)，即決定脈沖輸出波形從高電平或低電平開始和結(jié)束，使輸出波形有短暫的不連續(xù)。

4. 線性脈沖串輸出（PTO）

PTO可以實(shí)現(xiàn)占空比為1：2的高速脈沖串的輸出，脈沖數(shù)和周期可以由用戶定義。狀態(tài)字節(jié)中的最高位（空閑位）用來指示脈沖串輸出是否完成?？稍诿}沖串完成時(shí)啟動(dòng)中斷程序，若使用多段操作，則在包絡(luò)表完成時(shí)啟動(dòng)中斷程序。

5. 脈寬可調(diào)脈沖（PWM）輸出

PWM是脈寬可調(diào)的高速脈沖輸出，通過控制脈寬和脈沖的周期，實(shí)現(xiàn)控制任務(wù)。

步進(jìn)電動(dòng)機(jī)在起動(dòng)和停止時(shí)有一個(gè)加速及減速過程，且加速度越小則沖擊越小，動(dòng)作越平穩(wěn)。所以，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)工作時(shí)一般要經(jīng)歷這樣一個(gè)變化過程：加速→恒速（高速）→減速→恒速（低速）→停止。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速與脈沖頻率成正比，所以輸入步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的脈沖頻率也要經(jīng)過一個(gè)類似變化過程。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)脈沖頻率變化規(guī)律如圖9-5所示。

1. 通過指令向?qū)ЫM態(tài)PTO

STEP7-Micro/WIN提供了位置控制向?qū)В梢詭椭脩舴奖愕赝瓿蒔TO、PWM或位控模塊的組態(tài)。該向?qū)Э梢陨晌豢刂噶?，可以用這些指令在應(yīng)用程序中對(duì)速度和位置進(jìn)行動(dòng)態(tài)控制。

本小節(jié)通過PLC控制一個(gè)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的應(yīng)用，說明利用STEP7-Micro/WIN位置控制向?qū)韺?shí)現(xiàn)PTO控制步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的具體操作過程。

1. 通過指令向?qū)ЫM態(tài)PTO

STEP7-Micro/WIN提供了位置控制向?qū)?，可以幫助用戶方便地完成PTO、PWM或位控模塊的組態(tài)。該向?qū)Э梢陨晌豢刂噶?，可以用這些指令在應(yīng)用程序中對(duì)速度和位置進(jìn)行動(dòng)態(tài)控制。

本小節(jié)通過PLC控制一個(gè)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的應(yīng)用，說明利用STEP7-Micro/WIN位置控制向?qū)韺?shí)現(xiàn)PTO控制步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的具體操作過程。