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1、中南论坛 2 0 1 0年第 3期 数控机床开环伺服进给系统的 P L C控制 杨 可(武汉科技大学中南分校信息工程学院，湖北武汉4 3 0 2 2 3)摘要：本 文介绍 了利用 P L C控制数控机床 开环伺服进给 系统的结构 和软硬件设计特 点，改善 了传统步 进 电机低速振 动大和噪 声大的缺 点，使 开环伺服进 给 系统 在较 大速 度 范围 内转 矩保持 恒定，提 高 了控 制精 度，减小了发生共振的几率，具有很好的稳定性、可靠性和通用性，且结构简单。关键词：P L C；伺服进给 系统；步进 电机；额定电流 细分驱动 中图分类号：T P 3 1 1 文献标识码：A 1 数控机床伺服系
2、统分类与特点 数控机床伺服系统是以机床移动部件(如工作 台)的位置和速度为控制量的系统，又称 随动系统，简称伺服系统。它接收接受数控装置的脉冲指令，并将其变换为机床工作台的位移。作为数控机床的 重要组成部分 的伺 服系 统，其 本身 的性 能直接 影响 着整个数控机床的加工精度和速度等技术指标。按有无检测反馈 装 置，伺 服系统 可分 为开 环和 闭环两大类；按检测元件安装 的位置和检测方式的 不同，闭环系统又分为半闭环系统和全闭环系统。撸一 图 1 开环控制 番一 工作台 枝置霸接厦馕 图 2半闭环控制 1 1 开环控制系统 图 l 所示为开环控制系统原理图，主要由驱动 线路和执行元件 两部
3、分 组成。驱 动线路 的作用 是将 指令脉冲信号转换为执行元件所需的信号，并满足 撂 图 3半闭环控制 捂一煳 图 4全闭环控制 执行元件的工作特性要求。执行元件的作用是将驱 动线路输出的电信号转换成位移信号，带动机床工 作台移动。开环控 制系统 中常用 的执行元 件 为步进 电动机，它将 指令脉 冲变换 为机械 转角，再 经过齿 轮副和丝杠螺母带动机床工作台移动。不检测工作 台的实际位移，无位置检测元件。1 2闭环控制系统 图 2一图4所示为 闭环控制系统原理 图。它主要 由位置检测器、比较 线路、伺 服放大 线路利 执行元 件 四部分组成。将位置检测元件(如旋转编码器)安装在伺服 电动机轴
4、或数控机床的传动丝杠止，即把工作台实 际位移相应 的转 角测 出来进行 反馈 比较，间接 出检 收稿 日期：2 0 1 00 3 0 1 作者简介：杨可(1 9 6 5一)，男，湖南省长沙市人，武汉科技大学 中南分校信息工程学 院教师，高级工程师。2 0 1 0年第 3期 科学与技术 测工作台的实际直线位移，为半闭环控制系统。将位置检测元件(如直线光栅)安装在机床工 作台上，直接检 测工 作 台的实 际直线 位移，为 全 闭 环控制系统。1 3特点 全闭环控制系统 要求 检测元 件 的测量 范 围与工 作台移动范 围相等。而制造 较 长的位 置检测 元件 很 困难，须用有 限长度 的位置 检测
5、元 件 拼接安 装，不 仅价格高，而 且 安装 后 调 整 比较 复 杂。相 比之 下，测量转 角要容易 得多。因此 大部 分数 控机床 使用 半 闭环控制伺服 系统，但这种 伺服 系统 由于 丝杠 和工 作 台存在 的传动误 差得 不到 补偿，所 以半 闭环控 制 系统要 比闭环控制系统的精度低。开环控制系统对 移动部 件 的实际位 移量 不进 行 检测，也不 能进行误 差校 正，虽然精 度较 低，但 由 于系统结 构简单，成 本较 低。目前，在 加工 精度 要 求不很高的中小型数控机床，如经济型数控机床中 得 以广泛应用。2 开环伺服系统的 P L C控制 2 1 步进电机开环控 制系统控
6、制参数 使用 P L C控制步进电机伺服机构，关键是控制 步进电机的输入 脉冲 数、输 入 脉冲频 率、输 出脉 冲 的顺序这三个参数，达到控制移动部件 的行程小、进给速度、进给方 向。2 1 1 行 程控制 工作 台的行程控 制是 利用直 线光 栅尺采 用数 字 控制来实现。工作台的行程正比于步进电机的总转 角，只要控制步进 电机的 总转角 就可控 制工 作 台的 行程。由步进电机的工作原理和特性可知步进电机 的总转角正 比于所输 入 的控 制 脉冲个 数，因此，应 由伺服机构的位 移量确 定 P L C输 出的脉 冲个数，设 P L C输 出的脉冲个数为 N：N=T L 8 (1)式中：T
7、 L 伺服机构的位移 量(I T l m)；8 伺服机构的脉冲当量(m m 脉冲)2 1 2进给速度控制 伺服机构 的进 给速度取决于步进 电机的转速，而步进 电机 的转 速取 决 于输 入 的 脉 冲频 率，因此，因由工序要求的进给速度，确定其 P L C输出的脉冲 频率，设 P L C输 出的脉 冲个数为 f：F=V f 6 0 8(Hz)(2)式中V f-一伺服机构的进给速度(m m m i n)2 1 3 进给方向控制 改变步进电机的转 向即可控 制进 给 方 向。步 进 电机的转向是通过改变步进 电机各绕组 的通电顺序 来改变的，设 三相 步进 电机 通 电顺 序 为 AA BB B
8、 CCC AA时步进 电机正转，当把绕组的 通电顺序改变为 AA CC C BBB A A时，步进 电机将 反转。因此 可以通过 P L C输 出的方 向控 制信号改变硬件环行分配器 的输出顺序来实现通电 顺序的改变，或经编 程改变 输 出脉 冲的顺序 来改 变 步进 电机绕组 的通 电顺序。2 2 P L C控制的方法 2 2 1 结构 利用德 国西 门子公 司 的 s 72 0 0 P L C，产生脉 冲 实现步进 电机控 制，由控 制 电路、驱动 电路、步进 电机 三部分构成，如 图 5所示。宿动 I 停止 I 方向 I 选辑 步 避 驱 动 器 步 进 电 机 曼 l机 塑 工作台 嘲
9、 蝌 2 2 2 PL C 用于产生脉冲，控制 电机 的速度 和转 向。如 s 7 2 0 0 P L C的C P U 2 1 4有两个脉冲输 出，可以用来产 生控制步进 电机驱动器的脉 冲。S 7 2 0 0 C P U本体 已 含有 高 速脉 冲输 出功能，C P U脉 冲输 出频 率 达 2 0 K H z 一1 0 0 K H z，可以用来驱动步进电机或伺服电 机，完成控制要 求。2 2 3 驱动 电路 由脉冲信号分配和功率细分驱动电路组成，根 据控制器输 入的脉 冲和方 向信 号，为步 进 电机各绕 组提供正确 的通电顺序，以及 电机需要 的高电压、大电流，同时提供各种保护措施，如过
10、流、过热等 保护。功率驱动器将控制脉冲按照设定的模式转换 成步进电机线圈的电流，产生旋转磁场，使得转子 只能按 固定 的步 数来 改变 它的位 置。连续 的脉 冲序 列产生与其对应同频率的步序列。使控制频率足够 高，步进 电机的转动就 为一个连续 的转动。2 2 4步进 电机 控制信号经驱动器放大后驱动步进 电机，带动 负载。当输入端 I 1 0发出“启动”信号后，s 7 2 0 0 P L C的 Q o 0的输 出脉 冲 触 发步 进 电机 驱动 器。控制器输出放大了的固定数 目方波脉冲，使步进电 机按对应的步数转动。当输入端 I 1 1 发出“停止”信号后，步进电机停止 转动。接在输 入端
11、 I 1 5的方 向开关位置决定电机正转或反转。1 o 0 中南论坛 2 0 1 0年第 3 期 2 3 P L C软件设计 在程序的编制中，为使步进电机在换向时能平滑过 渡，不至于产生错步，应在每一步中设置标志位。在正 转时，不仅给正转标志位赋值，也同时给反转标志位赋 值。在反转时也如此。这样，当步进电机换 向时，就将 上一次的位置作为起点反向运动，避免了电机换向时产 生错步。其程序流程框图如图6 所示。图 6 3 P L C控制完成的功能 3 1 平稳起动、加速、减速、平稳停止功能 在 s 7 2 0 0中，支持高速输出口P T O O V I O 1的 线性加 减速，通过 M i c r
12、 o Wi n的向导程序生成线性 加 减速的程 序，非 常容 易 实现 步 进 电机 的平 稳起 动、加速、减速、平稳停止。3 2 定位控制功能 借助于 P L C的 C P U产生集成脉冲输出和定位指 令系统，确定相对一根轴的固定参考点，以一个输 入字节 的对偶码(D u u l c o d i n g)给 C P U 指定定 位 角 度，在程序中根据该码计算出所需的定位步数，再 有 C P U输出相关个数的控制脉冲，通过步进电机来 实现相对的定位控制 3 3 额定电流可调等角度恒力矩细分驱动方法的功 能 步进 电机 的驱动 方式 有多种，如恒 电压、恒 电 流等多种形式，而这些方式都存在一
13、定的缺陷，特 别是在低速运行时的振动、噪声大和在步进电机 自 然振荡频率附近运行时易产生共振，且输出转矩随 着步进电机 的转 速升高 而下 降等缺 点，采用额定 电 流可调等角度恒力矩细分驱动方式，可改变上述缺 陷。额定电流可调等角度恒力矩细分驱动主要的优 点是步距角变小，分辨率高，提高了电机的定位精 度、启动性能和 高频输 出转矩，减 弱或 消除 了步进 电机的低频振动，降低了步进电机在共振区工作的 几率。一般 细分驱 动只改 变相应 绕组 中电流 的一部 分，电动机的合成磁势也只是旋转步距角的一部分，绕组 电流不是 一个方 波而是 阶梯波，额定 电流是 台 阶式 的投入 或切除，如图 7所
14、示。1 t 图7 两相电机等额细分电流波形图 其合成 的矢量幅值 是不 断变化 的，输 出力矩也 跟着不断变 化，从 而会 引起滞 后角 的不断变 化。当 细分数很大、微步 距角 非常 小时，滞后 角变化 的差 值已大于所要求细分的微步距角，使得细分失去了 意义。据此分析，采用建立 数学关 系 同时改 变两相 电流，即 I a、I b以某 一数学 关系 同时变化，保证 变 化过程中合成矢量幅值始终不变。建立一种“额定 电流可调的等角度恒力矩细分”驱动方法，以消除 力距不断变化引起滞后角的问题。随着 A、B两相 相 电流 I a、I b的合成 矢量角度 不断变 化，其 幅值始 终 为圆的半径。如
15、图 8、图 9所示。I 2 0 1 0年第 3期 科学与技术 1 O 1 -厶 图 9电流可控的等 角度细分 图 4 结语 4 1 P L C控制 的步进 电机开环伺服 系统可 以采用 软 件环行分配器，也可 以采用硬件环行分 配器。采用软 环 占用的 P L C资源较多，特别是步进电机绕组相数大 于4时，应该予以充分考虑。采用硬件环行分配器，虽然硬件结构稍微复杂些，但可以节省占用 P L C的 I 0点数。步进 电机功率驱动器将 P L C输 出的控制脉冲 放大到几十至上百伏特、几安至 十几 安 的驱 动能力。一般 P L C的输出接 口具有一定 的驱动能力，而通常的 晶体管直流输 出接 口
16、的负载 能力仅 为 十几 至几 十伏 特、几十至几百毫安。但对于功率步进 机则要求几 十至上百伏特、几安至十几安 的驱动能力，因此应该 采用驱动器对输 出脉冲进行放大。4 2 如伺服机构采用硬件环行分配器，则 占用 P L C 的 I O 口点数 少于 5点，一般仅 为 3点。其 中输 入 占用一点，作为启动控制信号；输出占用 2点，一 点作 为 P L C的脉冲输 出接 口，接 至伺服 系统硬环 的 时钟脉 冲输入端，另一点作 为步 进 电机转 向控制 信 号，接至硬环的相序分配控制端，如 图 1 0所 示，伺 服 系统采用软件环行分 配器 时，其接 口如 图 1 1。步进驱动器 步进电机$
17、7-2 00 分 配 器 H 隧；P l。C 图 l 0 采用硬件环行分配器 步进驱动器 步进电机 图 l 1 采用软件环行分配器 4 3结论 采用 P L C控 制 的步 进 电机 驱动 系统，具有速 度 快，噪音低，控制精度高，而且可选整步半步驱动。配合采用额定 电流可调 的等角度 恒力 矩细 分型 的驱 动器，基本上克服 了传统 步进 电机低 速振 动大 和噪 声大的缺点，电机在较大速度范围内转矩保持恒定，提高了控制精度，减小了发生共振的几率，具有很 好的稳定性、可靠性和通用性，且结构简单。参考文献 1 华 中科技大学机械学院工 艺 自动化系 机 电传动与控 制 M 武汉：华中科 技大学
18、，2 0 0 9 2 汪小澄，袁立宏，张世荣 可编程控制器运动控制技术 M 北 京：机械工业出版社，2 0 0 9 3 S I MA T I C S 7 2 0 0可编程控制器系统手册 M 德 国：西 门子公 司 2 0 0 8 (本文责任编辑彭冬玲)上接第 9 7页 参考文献 1 张伟娴 区空间环境建设中的问题 与思考 J (8)2 白延林，许 志 中 居 住小 区外部环境 设计 J (3)3 吴良 镛 “人居二”与人居环境科学 J 城市规划，1 9 9 7(3)4 刘平，王如松，唐鸿寿 城市人 居环境的生态设计方 法探讨 J 生态学报，2 0 0 1(6)住宅科技，2 0 0 2 5 林其标，林燕，赵维稚 住宅人居环境设计 M 广州：华南理工 大学 出版社，2 0 0 1 住宅科 技，2 0 0 2 (本文责任鳊辑焦瑞和)