王高升，邓奕，谢骐，关耀奇

(湖南工程学院机械工程学院，湖南湘潭 411101)

基于LabVIEW的电闭环数控多伺服控制系统设计

王高升，邓奕，谢骐，关耀奇

(湖南工程学院机械工程学院，湖南湘潭 411101)

设计了基于LabVIEW软件开发平台的电闭环数控机床多伺服控制系统。利用西门子公司S120变频驱动模块，采用共直流母线的电闭环能量反馈系统，通过Profibus总线使S7-300 PLC与S120进行数据交流，同时PLC采集速度/转矩信号，进行PID闭环控制，用输出量控制S120逆变模块，达到精确控制转速/转矩的目的。同时S7-300高速串口模块与上位机LabVIEW软件系统通信进行数据交换。试验系统的成功运行，证明了此系统的控制可行性，通过电闭环控制方式可大幅提高电能的利用，对数控多伺服传动控制系统试验具有一定的指导意义。

电闭环;LabVIEW软件;多伺服控制系统;节能

伺服系统是数控机床的组成之一。复杂数控伺服系统的实际使用情况非常复杂，如起步、怠速停车、低速或高速、加速、减速、过载和反转等［1］，从而使得机床的驱动力和车速在很大的范围内变化。但由于其本身结构复杂、工作环境恶劣等原因，数控机床的多伺服系统容易受到损害和出现故障［2］。随着制造业的高速发展，高性能的多伺服数控加工机床使用越来越多，同时对多伺服系统控制要求也越来越高［3－4］。随着数控机床的日益普及，日常使用中伺服控制系统的故障给人们带来的影响也越来越大。因此复杂数控机床伺服控制系统的设计也变得尤为重要，尤其是对于多伺服系统的电能利用具有高的要求。

综上所述，文中提出了采用电能能量反馈循环的方式搭建多伺服控制系统，通过采用西门子S120变频单元［5］，采用整流与逆变分开，所有逆变模块通过共用直流母线方式连接在整流单元上，中央CPU总体控制电能的分配和反馈循环［6］利用，从而大大节约了电能，对于长时间的数控机床加工相当有意义。同时通过西门子S7-300 PLC系统对采集来的转矩/转速信号进行反馈，构成全闭环的PID控制，从而达到精确控制转速/转矩目的［7］。采用图形化的LabVIEW软件对其进行上位机开发，可以方便地处理和显示各种传感数据及生成报表。

1 数控机床多伺服电气控制系统

多伺服系统电气控制原理图如图1所示。S120变频驱动系统通过自身特有的高速通信协议DRIVECLIQ将整流单元以及逆变单元连接到中央控制SU320-CPU中，中控CPU可以控制直流母线电压，以及能将处于发电机模式产生的电能反馈到电网上供给直流母线其他电动机模式的逆变模块的利用，从而大幅节约整体系统的电能，逆变单元能控制所输出电机的转速和转矩。同时S120中控CPU通过Profibus网络可与S7-300 PLC进行高速外界数据交换，进行全闭环的控制。

图1 电气控制系统原理图

S120变频系统，在大功率试验时对周边其他控制系统具有比较大的影响，尤其是其产生的高次谐波的作用，因此在进行实际操前必须对其进行组态测试和仿真分析，选择电缆、滤波器和电抗器，以使系统正常稳定可靠地运行。利用西门子SIZER软件可方便实现对S120系统进行组态和仿真分析整个系统。一般一个组态步骤过程可分为以下几个部分:

(1)对电网进线进行组态;

(2)电机和减速器的设计计算;

(3)传动部件的组态;

(4)电抗、滤波器和电缆等附件的选型。

通过系统组态，将得到详细的S120元器件清单、系统技术数据、特性曲线、电网谐波畸变曲线，其组态如图2所示。

图2 S120组态

S7-300是德国西门子公司生产的可编程序控制器 (PLC)系列产品，因其具有模块化结构、易于实现分布式的配置以及性价比高、电磁兼容性强、抗震动冲击性能好的优点，使其在广泛的工业控制领域中，成为一种既经济又切合实际的解决方案。由于其自身有强大的FB41连续模拟控制PID控制功能块，可用来实现将控制器用作PID固定设定值控制器、或者在多回路控制中用做级联、混合货比率控制器。它可以在手动模式和自动模式之间切换。在手动模式下，可调节变量被修正到手动选择的数值。积分器(INT)内部被设置成LMN-LMN_P-DISV，而微分单元 (DIF)被设置成0，这些都是自动在内部进行匹配的。这样，切换到自动模式就不会导致调节值的突然变化。其系统工作控制原理如图3所示。

图3 连续PID控制原理图

2 LabVIEW的软件系统

整个软件系统采用基于状态机的模块化设计，其软件构件如图4所示，它主要由数据测量、数据加工、数据存储、参数控制和参数管理5个部分组成。测量部分主要是完成电机的转速、输入扭矩、机床的机械效率、变速器内润滑油温度等与控制有关的参数测量。

加工是测控系统必不可少的功能，它可以将各个表面上看起来互不相干、独立测量到的参数系统地组合起来，变成相互之间有影响、有关联的数据链，从而形成一个相对完整有机数据系统，对系统性能进行总体评价。

存储是将实验数据存取到计算机硬盘上以及进行相应的显示和转换。

控制主要是实现电机的转速和转矩以及温控仪表的PID参数调节和设置。

管理是实现用户权限和数据库的建立，便于日后历史数据的查询和归类等。

软件整体监控界面如图4所示。

图4 软件系统构架图

整个软件系统中，其最重要的就是上位机Lab-VIEW与下位机S7-300 PLC和富士PXR9通信程序的编写，它直接关系到上位机和下位机系统是否能够进行数据交换、下位机的信号能否上传以及上位机的指令能否下达到下位机中。对于S7-300 PLC以及PXR-9温控通信仪表，都采用MODBUS RTU的通信方式与上位机LabVIEW进行通信，其中最重要的就是十六进制译码程序。CRC校验程序、串口初始化程序;其部分代码分别如图5—8所示。

图5 软件主监控界面

图6 CRC校验程序

图7 字符串解译玛程序

图8 串口初始化通信程序

3 结论

试验设计的电闭环数控多伺服控制系统最终成功应用。综上所述，得出以下几点结论:

(1)采用共直流母线的S120变频系统，能够将处于发电状态的电能有效反馈到电网进行利用，从而大大节约了电能，对以后数控机床伺服系统的节能设计具有一定的指导意义;

(2)对S7-300 FB41 PID控制模块控制原理进行了说明，对以后数控操作编程时PID参数的调节起到了一定的指导作用。

(3)设计出了用于PLC通信的LabVIEW RCR、解码和译码程序以及串口通信程序，成功应用于与西门子PLC和富士PXR9通信程序，对以后LabVIEW与第三方通信具有一定的指导意义。

［1］彭天好，乐南更.变转速泵控马达系统转速降落补偿试验研究［J］.机械工程学报，2012，48(4):175 －181.

［2］马明阳.数控系统可靠性预计及软件可靠性研究［D］.长春:吉林大学，2012.

［3］张有禄.变速箱疲劳寿命试验台的结构特点及选用［J］.机械管理开发，2008(5):35 －37.

［4］ YAMAGUCHI Hiroshi，NARITA Yasushi，TAKAHASHI Hiroshi，etal.Automatic Transmission Shift Schedule Con-trol Using Fuzzy Logic［R］.SAE930674，1993:1077 －1088.

［5］ SIMATIC Statement List(STL)for S7-300 and S7-400 Programming Reference Manual［M］.Siemens AG 2002.

［6］OFFICER Todd M.A Three Dimensional Method for Determining Vehicle Load in a Powershift Transmission Application［R］.SAE952132，1995:1 －6.

［7］王晓，张宝怀.基于labvIEW的热换器性能试验装置测控系统的开发［J］.机械工程学报，2009，45(4):309－312.

Design of Electric Closed-loop Multidrive NC Servo Control System Based on LabVIEW

WANG Gaosheng，DENG Yi，XIE Qi，GUAN Yaoqi
(Department of Mechanical Engineering，Hunan Institute of Engineering，Xiangtan Hunan 411101，China)

Electric closed loop multidrive NC servo control system was designed based on LabVIEW.A Siemens S120 variable frequency drivemodule and a electric closed loop power feedback system on one DC generatrix were used，so S7-300 PLC could exchange data with S120 through Profibus bus.At the same time，speed/torque signalswere collected by PLC for PID closed loop control.Then S120 invertermodulewas controlled by PLC output，toachieve the goal ofaccurate controlon speed/torque.High-speed serialmodule communicated with LabVIEW system host computer for date exchange.The test system runs successfully，and the control feasibility of the system is verified.Utilization of power ismore effectively by using electric closed loop feedback，and it has certain significance to driving control system test.

Electric closed loop;LabVIEW software;Multidrive NC servo control system;Energy conservation

TP27

B

1001－3881(2014)10－187－3

10.3969/j.issn.1001 －3881.2014.10.057

2013－04－22

湖南省教育厅一般项目 (13C179);湖南省科技计划项目 (2013GK3028)

王高升 (1981—)，男，硕士，实验师，研究方向为机械设计制造。E－mail:wordok@163.com。

book=10,ebook=206