基于PLC的伺服电动机控制系统研究

　　摘要：基于PLC对伺服电动机的控制系统，研究了其控制系统的原理设计图、触摸屏控制界面、伺服驱动参数设置、PLC程序设定等。该控制系统，可以使用PLC对伺服电动机直接进行控制，具有操作简单、运行可靠、覆盖范围广等特点，且拥有极大应用价值。

　　关键词：PLC伺服电动机;控制系统设计;触摸屏

　　0引言

　　随着PLC技术、变频技术和伺服控制技术的迅猛普及和推广，以步进电动机和伺服电动机为执行元件的定位控制技术在工业生产中得到了越来越广泛的应用。伺服电动机不但能够实现精准的速度控制，而且能够实现精准的角度(位置)及其转矩控制，具有较强的动态特点[1]。本文选用西门子S7-200SMART型PLC，利用其模拟量输出直接控制伺服电动机的转矩、转速及正反转运动等。将输入端与触摸屏Smart700IE连接通信并设计PLC控制程序，从而实现所设计系统可以精准控制伺服电动机的运动，实现其应用价值。

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　　1伺服电动机的控制系统简介

　　本文所论述的控制系统由PLC、伺服电动机、伺服驱动器、减速器和触摸屏构成。 编写触摸屏控制程序以及设计其界面可以实现对伺服电动机的手动控制以及自动控制。当控制模式为手动控制时，可以控制电动机的正反转以及电动机输出的扭矩。当控制模式为动控制时则可以实现电动机输出扭矩的线性变换，即当时间参数t固定，每过驻t秒，电动机输出扭矩线性增长直到达到电动机设定输出扭矩的最大值。当按下停止按钮，伺服电动机停止运作。

　　2PLC控制系统硬件

　　2.1控制系统主要硬件选择

　　2.1.1PLC的选用

　　由于PLC一端需要与触摸屏通信，另一端需要连接电动机驱动器，因此本装置选用西门子旗下的S7-200SMART型号的PLC。内置以太网接口，其可以在各种场合中实现监测，监控及其自动化功能[8]，同时还可以进行联网操作从而实现复杂的控制功能。完全可以实现复杂的自动化控制。本文的控制系统主要表现在模拟量方面，以输入输出信号的类别并按照I/0点数20~30%备用量原则，选用CUP型号为ST20，在PLC中插入的信号板(SBAQ01)具有一路模拟量输出。

　　2.1.2伺服电动机及其控制器的选用

　　本设备选用三菱伺服电动机HC-KFS23伺服驱动器和MR-J2S-A系列。三菱伺服电动机(HC-KFS23)拥有良好的高速性能，实现了位置、速度和扭矩的最佳匹配，克服了步进电机的故障。一般的额定旋转速度达到2000～3000rpm[6]。耐过载能力强可以承受3倍的额定扭矩负荷，适合需要负荷瞬间变动和快速启动的情况。低速稳定运行、不会发生电动机的不正常运行。且电机加减速动态响应时间短。

　　产生的热量和噪音在几十毫秒内显著减少。三菱旗下的伺服放大器MR-J2S-A系列在MR-J2系列的基础上升级，有着更高的性能和更高的功能。该控制方式包括位置控制、速度控制、扭矩控制。以及它们之间的组合切换控制方式[7]。三菱通用交流伺服放大器MR-J2S-A系列使用更方便，具备优秀的自动调谐性能和机械分析功能，可以让电动机输出扭矩更加平滑。

　　2.1.3伺服电动机减速器相关参数

　　为了保证伺服电机能输出相对平稳的转矩，然后在降低转速的同时增加输出转矩，电机的初始转矩被减速器放大得到输出转矩，但不超过减速器的额定转矩。同时在减速过程中还可以起到吸振、冷却、散热、防止生锈和降低噪音的作用。

　　2.1.4触摸屏的选用

　　Smart700IE触摸屏具有较高交互性。Smart700IE可以通过以太网与PLC进行信息的交互。触摸屏Smart700IE是市面上比较新的触摸屏，最大优势是具有以太网接口。他们采用800×480的高分辨率宽屏幕设计。64K彩色显示屏上搭载了节能LED背照灯、高速外置总线和64MB内存[3]。通过ARM处理器，画面运行流畅且反馈感良好。同时该触摸屏还支持数据简单统计如趋势图、公式运算和数据监测功能。当面对不同需求者还可以切换操作语言，该触摸屏共有32中语言，并且其中5种语言还可以相互转化[4]，十分便利。

　　2.2PLC控制系统输入输出分配表

　　为了避免伺服系统在运作时出现故障，设置了2个开关进行启停控制。

　　2.3控制系统电气原理设计图

　　3PLC控制系统软件

　　3.1触摸屏界面设计使用触摸屏作为伺服控制系统人机交互界面。

　　交互界面伺服电机的输出转矩可以精确控制。手动控制屏设有启动和停止开关，开关分别对应PLC辅助继电器M0和M1。自动控制程序中有复位、启动、停止开关。自动控制器的开关键位分别对应PLC辅助继电器M2-M4[5]，PLC的云端数据存储器与D10对应。

　　3.2PLC主要控制程序设计

　　采用STEP-7编译软件完成。首先将PLC的CPU设为stop模式，通过将PLC的CPU与电脑IP地址进行匹配，匹配成功后在软件系统块里查找CPU并下载系统块，之后再对各变量进行赋值运算，最后将CPU模式转化为run模式，即可实现通过电脑实现对PLC指令输入。

　　4PLC是整个控制系统的中枢

　　将S7-200SMART作为整体系统的中间控制装置，通过与电子触摸屏的交互实现系统的控制功能，是整个控制系统的中枢。如检测到有信号输入，则将任务传输到PLC，采用触摸屏控制将接收到的数据指令传输到伺服驱动器上，由驱动器执行原点操作，在其控制下使伺服电动机执行对应命令。完成一次命令执行后，待PLC发出新的数据指令，继续上述步骤循环，实现系统控制。

　　5结语

　　本实验采用的PLC控制系统基于S7-200SMARTPLC作为整个控制系统的中枢，原因在于西门子S7-200SMARTPLC具有体型小、处理信息效率高、有以太网接口等优点[2]，且CPU具有多种运行模式和输出方式，因此可达到理想的控制效果。该控制系统与主控设备连接良好，可实现执行机构的多种任务。此系统运行良好，经济实用性强，具有良好的实用价值。

　　参考文献：

　　[1]丁惠忠.基于S7-200SmartPLC的高性能交流伺服控制系统设计[J].微型电脑应用，2020，36(12)：16-19.

　　[2]胡志刚.基于三菱PLC的伺服电动机控制系统设计[J].价值工程，2017，36(05)：80-81.

　　[3]廖常初，戴小波.Smart700IE触摸屏与S7200通信的实现方法[D].自动化应用，2013.

　　[4]廖常初.Smart700IE触摸屏与S7200SmartPL[D].电气时代，2013.

　　[5]顾小强.基于PLC的自动摆饼机控制系统的设计及实现[D].东北大学，2009.

　　[6]张寅.照度计全自动检定系统研究[D].合肥工业大学，2007.

　　[7]侯浪.三菱QPLC应用技术研究[D].武汉理工大学，2008.

　　[8]张建刚.基于多层网络的Q系列PLC三维伺服控制系统研究[D].西华大学，2010.

　　作者：杨西戈①;张朝阳①;胡宗辉②;陈亮②