王丽平 陈光伟

摘 要：文章设计一个伺服电机位置控制系统，以西门子S7-200PLC为控制单元，通过高速脉冲输出控制伺服驱动器，驱动伺服电动机带动机械手运动，利用伺服电机上的编码器发出的脉冲信号构成位置反馈，从而可以实现机械手的准确位置控制。

关键词：伺服电机；位置控制；高速脉冲

引言

文章是以亚龙YL-335B型自动化生产线为平台，该生产线中的输送站是最重要的站点，其主要任务是驱动其抓取机械手装置精确定位到指定单元的物料台，在物料台上抓取工件，把抓取到的工件输送到指定地点然后放下。文章通过S7-200PLC、伺服电机、伺服驱动器及抓取机械手组成伺服电机位置控制系统，利用PLC的高速脉冲输出功能，通过PTO编程实现机械手的准确位置控制。

1 伺服电机位置控制系统的硬件设计

1.1 硬件组成

文章设计的伺服电机位置控制系统由PLC、伺服驱动器、伺服电机和抓取机械手等组成，是一个闭环系统。其工作原理是PLC输出高速脉冲信号给驱动器，通过驱动电机等传动机构带动机械手移动，同时驱动电机自带的编码器反馈位置脉冲数给驱动器，驱动器对两种脉冲进行比较并确定偏差，按一定控制规律运算后得到的校正信号作为伺服驱动器中速度控制器的给定，再经电流调节与功率放大，使抓取机械手朝消除偏差的方向运动，从而实现机械手的精确定位。

PLC选用SIEMENS公司的S7-200系列PLC，由于需要输出高速脉冲驱动伺服电机，PLC采用晶体管输出型。故选用S7-200-226 DC/DC/DC型PLC。伺服驱动器采用松下MADDT1207003全数字交流永磁同步伺服驱动装置。抓取机械手装置整体安装在直线运动传动组件的滑动溜板上，在传动组件带动下整体作直线往复运动，定位到其他各工作单元的物料台，然后完成抓取和放下工件的功能。

1.2 伺服电机和伺服驱动器概述

伺服电机内部的转子是永磁铁，驱动器控制的U/V/W三相电形成电磁场，转子在此磁场的作用下转动，同时电机自带的编码器反馈信号给驱动器，驱动器根据反馈值与目标值进行比较，调整转子转动的角度[1]。伺服电机的精度决定于编码器的线数。

交流永磁同步伺服驱动器主要有伺服控制单元、功率驱动单元、通讯接口单元、伺服电动机及相应的反馈检测器件组成。YL-335B型自动化生产线的输送单元中，伺服电机用于定位控制，故选用位置控制模式，即通过输入脉冲串来使电机定位运行，脉冲串频率决定电机转速，即机械手的运动速度；脉冲数量决定电机的旋转位移，即机械手的直线位移。伺服驱动器的参数可采用自动增益调整模式在驱动器的面板上进行设定。

1.3 硬件接线图

伺服电动机、伺服驱动器和PLC的电气接线包括：伺服驱动器主电源和控制电源接线、电机接线U、V、W和PE；伺服电机的光电编码器与伺服驱动器编码器接口X6的接线；PLC控制器与伺服驱动器I/O接口X5的接线。硬件接线图如图1所示。

图1 硬件接线图

2 程序设计

2.1 控制要求

要求按下启动按钮，伺服电机拖动机械手从供料站移动到加工站（470mm），再从加工站到装配站（286mm），再从装配站到分拣站（235mm），然后反方向退回原点；按下急停按钮或者碰到两端限位开关及原点开关时机械手停止运行。

2.2 PTO的认知与编程

SIEMENS公司S7-200PLC可提供2个内置高速脉冲发生器，可以通过PLC的Q0.0或Q.1输出端产生高速脉冲，用来驱动伺服电动机实现速度和位置控制。高速脉冲的输出有两种方式，脉冲串输出（PTO）和脉宽调制输出（PWM）。文章是对伺服电机进行位置控制，故选用PTO方式，将Q0.0设定为PTO功能，输出一串占空比为50%的脉冲，通过控制脉冲周期和数量来控制电机的转速和转角，从而对机械手进行位置控制。

S7-200PLC的PTO编程有三种实现方法：PLS指令编程，脉冲输出指令编程和STEP7-MicroWIN提供的位置控制向导编程[2]。使用STEP7-MicroWIN位置控制向导，可以帮助用户在很短的时间内全部完成PTO组态。

在使用位置控制控向导之前，首先要清楚伺服电机的运动包络，根据控制要求需配置4个移动包络。供料站到加工站，470mm，脉冲量为85600；加工站到装配站286mm，脉冲数为52000，装配站到分拣站，脉冲数为42700；从分拣站返回原点，反向运行，直至碰到原点开关。文章中前三个包络为相对位置模式，第四个包络为单一速度的连续转动模式。

PTO向导配置步骤：（1）在菜单中选择“工具”→“位置控制向导”命令，并选择配置PTO/PWM操作。（2）指定一个脉冲发生器：选择Q0.0。（3）选择 PTO方式。（4）指定电机速度：电机最高速度（MAX_SPEED）设为90000，电机启动/停止速度（SS_SPEED）为 600。（5）设置加速和减速时间：加速时间设为1500ms，减速时间设为200ms。（6）配置移动包络：设置操作模式、目标速度、结束位置等指标。（7）指定包络数据的V内存地址：VB75-VB300。

运动包络组态完成后，向导会生成子程序，主要包括子程序PTO0_CTRL、PTO0_RUN、PTO0_MAN等。PTO0_CTRL子程序用于启用和初始化伺服电机的PTO输出；PTO0_RUN子程序用来命令 PLC执行存储在组态/包络表中的指定包络运动操作。

调用位控向导生成的子程序，进行程序编写，把每一个运动包络的完成信號作下一个运动包络的启动信号。程序编写好后，将其下载到PLC中，按下启动按钮，抓取机械手就会按照预先设定好的运动包络进行移动，当机械手碰到左右限位开关，则PLC停止输出高速脉冲，机械手减速停止移动。

3 结束语

文章设计的伺服电机位置控制系统，在YL-335B自动化生产线上经过测试，能够实现机械手的准确位置控制。这种位置控制系统结构简单，抗干扰能力强，定位精准，充分发挥了PLC和伺服驱动单元各自的优势，能够满足位置控制的性能要求，具有良好的应用前景。

参考文献

[1]顾德仁.基于PLC 的电梯高精度位置控制的实现[J].微计算机信息（测控自动化），2007（23）：61-62.

[2]梁新平.基于PLC的自动线机械手位置控制系统设计[J].电子设计工程，2014（7）：86-87.