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西门子S7-200PLC在伺服电机位置控制中的应用
核心提示：
随着自动化水平的不断提高，越来越多的场合需要精确的位置控制。因此，如何更方便、更准确地实现位置控制是工业控制领域内的一个重要问题。位置控制的精确性主要取决于驱动器和运动控制器的精度。高端的运动控制模块可以对伺服系统进行非常复杂的运动控制。但在有些需要位置控制的场合，其对位置精度的要求比较高，但运动的复杂程度不是很高，这就没有必要选择那些昂贵的高端运动。
S7-200系列是一种体积小、编程简单、控制方便的可编程控制器，它提供了多种位置控制方式可供用户选择，因此，如何利用该系列PLC实现对伺服电机运动位置较为精准的控制是本文的研究重点。
1.基本控制系统
伺服系统分为液压伺服系统、电气－液压伺服系统以及电气伺服系统。本文主要讨论了电气伺服系统中的交流伺服系统，其基本组成为交流伺服电机、编码器和伺服驱动器。交流伺服系统的工作原理是伺服驱动器发送运动命令，驱动伺服电机运动，并接收来自编码器的反馈信号，然后重新计算伺服电机运动目标位置，从而达到精确控制伺服电机运动。
本伺服系统中选用Exlar公司生产的GSX50-0601型伺服直线电动缸。该电动缸由普通伺服电机和一个行星滚珠丝杠组成，用来实现将旋转运动转变为直线运动。此外，选用Xenus公司生产的XenusTM型伺服驱动器。它可以利用RS．232串口通信方式和外部脉冲方式实现位置控制。
一般来说，一个伺服系统运转需要配置一个上位机，所以本系统采用西门子S7-200 PLC作为上位机控制器。通过高速脉冲输出、EM253位置控制模块、自由口通信三种方式控制伺服电机运动。
2.高速脉冲输出模式
西门子CPU224XP配置两个内置脉冲发生器，它有脉冲串输出(PTO)和脉冲宽度调制输出两种脉冲发生模式可供选择。这两个脉冲发生器的最大脉冲输出频率为100 kHz。在脉冲串输出方式中，PLC可生成一个50％占空比脉冲串，用于步进电机或伺服电机的速度和位置的控制。
2.1 硬件构成
图1为高速脉冲输出方式的位置控制原理图。控制过程中，将伺服驱动器工作定义在脉冲+方向模式下，Q0.0发送脉冲信号，控制电机的转速和目标位置；Qo，发送方向信号，控制电机的运动方向。伺服电动缸上带有左限位开关LIM一、右限位开关LIM+以及参考点位置开关REF。三个限位信号分别连接到CPU224XP的I0.0～I0.2三个端子上，可通过软件编程，实现限位和找寻参考点。
图1 位置控制原理图
2.2 程序设计
高速脉冲串输出(PTO)可以通过Step 7 Micro/WIN的位置控制向导进行组态，也可通过软件编程实现控制。PTO输出方式没有专门的位置控制指令，只有一条脉冲串输出指令，而且在脉冲发送过程中不能停止，也不能修改参数。为解决以上问题，可以设置脉冲计数值等于10(或更小)，并能使脉冲发送指令PLS处于激活状态。这样，就可以在任一脉冲串发送完之后修改脉冲周期。
图2为高速脉冲输出方式位置控制流程图。控制思路为：通过PTO模式输出，可以控制脉冲的周期和个数；通过启用高速计数器HSC，对输出脉冲进行实时计数和定位控制，以控制伺服电机的运动过程。
图2 位置控制流程图
3. EM253位置控制模块
EM253位置控制模块是西门子S7-200的特殊功能位置控制模块，它能够产生脉冲串用于步进电机与伺服电机的速度和位置的开环控制。
3.1 硬件构成
如图3所示为EM253位置控制原理图，定义伺服驱动器工作在脉冲+方向模式下。P0口发送脉冲，P1口发送方向，DIS端硬件使能放大器，并同时清除放大器错误。LIM-、LIM+、REF分别为电机左限位、右限位以及参考点。
图3 EM253位置控制原理图
3.2 程序设计
EM253位置控制模块可以通过Step 7-Micro/WIN进行向导配置，配置完成后系统将自动生成子程序，编程简单、可轻松实现手动、自动、轨迹运行模式。由于EM253属于开环控制，不能很好地反馈电机实际运动情况。因此，利用伺服驱动器本身的差分输出信号，通过伺服驱动器软件设置，反馈给PLC，实现闭环位置控制。但由于直线伺服电动缸与PLE可允许发送接收信号存在一定差别，因此，需要对输入到PLC的信号进行电平的转化以及降低伺服驱动器发送的反馈脉冲频率。PLC对输入脉冲进行累加，从而得到电机的实际运转位置与运转速度，其脉冲计数程序如下。
①计数器初始化程序 LD
//首次扫描时 MOVB
16#FC, SMB47
//SMB47 =16#F4,SMB47为高速计数器1的控制字节 HDEF
//将HSC1配置为正交模式 MOVD
//设置HSCI的新初始值为0 MOVD
20000，SMD52
//设置HSCI的新预设值为20 000 HSC
//激活高速计数器I ②脉冲计数程序 LD
SMO. 0 MOVD
HC1，VD600
//将高速计数器1所记数值存储在VD600中 DTR
VD600, VD610
// VD601〕中的整数转化为实数，存人VD610 /R
SOOO,VD610
// VD610除以5000存入VD610 ,
5001〕为电机旋转一周编码器发送脉冲数 *R
2.54, VD610
//VD610乘以2.54存人VD610 ,
2.54为电机旋转一周移动的距离
4. RS-232串口通信方式
4.1 硬件构成
西门子CPU22&tXP支持无协议通信，即用户仅需要对数据格式、传输速率、起始/停止码等进行简单设定，PLC与外部设备间就可进行直接数据发送与接收的一种通信方式。伺服系统和PLC分别作为系统的主从站。PLC控制器通过该通信功能可实现对伺服驱动器进行运行控制、参数读取、伺服驱动器当前运动状态的读取等操作。
当S7-200系列PLC工作在自由口通信模式下时，一般通过CPU模块的集成接口进行通信。CPU集成接口采用了PPI硬件规范，其接口为RS-485串口，因此，当S7-200系列PLC的CPU与带有RS-232标准接口的计算机或伺服驱动器连接时，需要配套选用S7-200 PLC的PC/PPI转换电缆或一个RS-232/RS-485转换器。
PLC与伺服系统通信
4.2.1 报文构成
S-200 PLC在无协议通信方式工作时，不需要任何通信协议，通信参数需要根据与其进行通信的伺服驱动器的通信格式进行设定。本伺服系统选用的Xe-nus伺服驱动器可通过RS-232与PLC利用ASCII码进行通信，其ASCII码消息命令格式如下：
&命令代码&&命令具体参数&&CR&
其中：&命令代码&为一个单字母代码；&命令具体参数&表示电机所要执行的任务；&CR&为一个回车返回字符，表示命令结束。如：s r0x2A 21&CR&表示设置伺服控制器工作在可编程控制模式。
4.2.2 程序设计
程序设计时，将伺服驱动器工作定义在可编程位置模式。该模式支持实时更改伺服电机的运动速度、位置，通过RS-232接收来自PLC的ASCII码命令，执行运动。部分程序如下：
①初始化程序 LD
//首次扫描 MOVB
//设置自由端口0
通信方式SMB30＝9、8位数据位、9600、PPI MOVB
188, SMB87
//设置自由端口。接收信息控制5MB87 =188 MOVB
//设置自由端口0
结束字符SMB89=13，即结束字符=&CR& MOVW
//设置自由端口0
空闲超时SMB90=0，信息接收始终处于有效 MOVW200, SMW92
//设置自由端口0信息超时SMB92 =200 ms MOVB
255, SMB94
//设置自由端口0接收字符最大数SMB94=255 ATCH
//发送完成触发中断事件0 ENI
//允许中断 ②发送信息程序 LDN
// V D3501.1为接收延迟， 自由端口0没有处于接收延迟时 A
//自由端口0处于空闲状态，SM4.5 =1 AB＝
//命令字节VB18 =7，即要求设置运动目标位置 SCPY
r0xca'，VB3100
r0xca'，复制到VB3100,
r0xca'为设置运动目标位置命令SCAT
B3600, VB3100
// VB360()内的目标位置值连接到设置目标位置命令后 SCAT
VB3190, VB3100
//VB3190内的结束字节连接到VB3100后; XMT
//通过自由端口0发送命令至伺服驱动器 ③发送完成中断程序(接收信息) LD
//SM0.0总是为1 S
//置SM87. 7=1,SM87.7为允许接收信息位 RCV
//通过自由端口0接收信息至VB3200
5.三种控制方式的分析比较
上文分别从硬件结构与软件编程等方面，详细介绍了三种伺服电机位置控制方式。为了更好地理解这三种方式的差异，我们从软件与控制结果的角度作如下分析比较。
①软件编程
脉冲串输出方式可以轻松实现一些简单的位置与速度控制，具有硬件要求简单、可取代EM253并节省系统硬件配置等功能。但在编写较为复杂的运动程序时(如绝对运动需要确定电机运动的原点位置)，由于步骤繁琐，故不能采用该方法加以实现。
②控制精度
高速脉冲输出方式和EM253位置控制方式均属于开环位置控制，它们只负责发送脉冲，但当伺服电机或伺服驱动器出现故障时，PLC或EM253都没得到相应的反馈信息，仍然在不断向外发送脉冲;而采用通信控制方式则是在每次发送命令结束时，伺服驱动器均会对发送的命令做出应答。
③位置控制结果
伺服电机的速度等于PLC或EM253的输出脉冲频匆电机每转一圈发送的脉冲数，或直接通过RS-232串口发送ASCII码控制。由于S7-200系列PLC(除CPU224XP)高速脉冲输出口的最高频率为20 kHz,EM253的最高输出频率为200 kHz,RS-232串口通信控制方式则是发送ASCII码设定运动速度。因此，对于要求高速运动，或高控制精度的伺服驱动器系统，RS-232串口通信控制方式最优，而高速脉冲输出方式则不能满足要求。
采用高速脉冲输出控制和EM253位置控制方式时，伺服驱动器工作在脉冲+方向模式下，而处于通信控制方式时，伺服驱动器工作在可编程位置控制模式下。高速脉冲输出方式不能根据实际状况实时更改伺服电机运动速度与目标位置，EM253位置控制方式只能在手动模式下实时更改速度，采用通信控制方式时，当伺服驱动器设置电机在可编程位置控制模式下运动时，可通过RS-232串口发送ASCII码命令，实时更改速度和目标位置。
高速脉冲输出方式主要应用于对速度及位置控制精度要求均不高的简单位置控制中，从而节省硬件资源。EM253位置控制方式编程简单，它支持高速脉冲输出、支持线性的加减速功能、提供可组态的测量系统，可以使用工程单位如毫米，支持绝对、相对和手动的位控方式，提供连续操作。RS-232串口通信方式在三种位置控制方式中最具优势，它支持闭环控制，可实时调节速度、位置等;但由于伺服驱动器型号的不同，所以并不是所有的伺服驱动器都支持串口通信方式。
在实际应用中，将EM253位置控制方式应用于注塑机注气系统中，经过反复实验，可实现手动控制、半自动控制、全自动控制等三种控制方式，编程简单。操作界面简洁、操作灵活、工作可靠稳定。
经过详细介绍与分析比较，三种位置控制方式各有优缺点，各有其自身所适合的应用场合，这为今后类似的位置控制提供了一定的参考价值。
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三菱Mitsubishi
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用的是DRVA绝对指令，按照三菱FX系列PLC编程手册说的，按下急停后，复位所有M点，包括M8147和M8148，但是释放急停按钮后，按下复位按钮，有时PLC会发脉冲给伺服系统复位，有时不会，这是为什么啊？
528工控科技
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朋友，看到程序才能分析原因，你这样问，我只能回答：你的程序有问题
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这个我没用过此帖发自手机工控论坛
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你好！请教一下，你这个问题是怎样解决的？我现在也遇到了同样的问题
lizhengchao
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我一般是重新来过，如果急停频率不高的话启动伺服前做1S延时会好很多。
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一般急停时，是由于伺服跑到极限外，在断电的情况下，用手将伺服移动到位置的中间，让其回原点。但有时不会回原点。怎样写这么一段程序来实现
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大神，有没有伺服控制写好的程序啊想看看老手怎么写的
anriqing111
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以下是引用在 11:19:18的发言：
大神，有没有伺服控制写好的程序啊想看看老手怎么写的
你留个邮箱给你发一份
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回复 #8楼 anriqing111
工控学堂推荐视频：PLC是否能直接驱动伺服电机，而不用定位模块或高速脉冲模块
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加TA为好友 发表于： 10:58:00 楼主
to&cheng:高速脉冲模块为何还要A/D？我发相应的脉冲给步进电机不就行了吗？还有我看有些伺服驱动电路。它根本没用高速脉冲模块和定位模块，而是直接和三菱PLC的I/O相连，就可实现对伺服电机的控制。（我估计会不是用PLC内部的高速计数模块？！，PLC型号可能是FX2系列的），请问各位大虾，这是如何实现的那？to&周公：用单片机当然成本低了，可软硬都要自己开发，还要回过头去啃N年未碰的汇编，头都大了[color=#FF0000]PLC是否能直接驱动伺服电机，而不用定位模块或高速脉冲模块[/color]
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加TA为好友 发表于： 16:48:00 1楼
你说的可以，你可以通过调用设置在驱动器的参数来控制速度一般能设定三个速度，通过开关量来选择设定好的这三个速度，通过开关量来控制启动停止。这个方案缺点，速度不能多速变化（一般只能控制三个）。还可以通过PLC的高速脉冲点来发送频率，缺点速度，精度受制约，因为该点我记得好象脉冲最高7K（具体多少忘记了）
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加TA为好友 发表于： 10:53:00 2楼
高人们，小弟先谢过了
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加TA为好友 发表于： 12:07:00 3楼
也就是用开关量来控制了，缺点太多了，高精度定位还是用定位模块比较好
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加TA为好友 发表于： 12:37:00 4楼
TO&我是一之小小鸟&不知道，你看明白没有，还需不需要进一步解释
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加TA为好友 发表于： 21:15:00 5楼
三菱的PLC完全可以直接发脉冲控制步进或伺服电机，FX1S/FX1N都可以发两路100KHz的脉冲串，且有专用的定位指令，还可以实现绝对位置控制。
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加TA为好友 发表于： 15:24:00 6楼
完全可以的!用晶体管输出的PLC
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加TA为好友 发表于： 15:25:00 7楼
完全可以!用晶体管输出的PLC
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加TA为好友 发表于： 15:36:00 8楼
当然可以直接用PLC发脉冲来控制，很多做机械的都是这么搞的。。。。
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加TA为好友 发表于： 16:20:00 9楼
FX2N的Y0，Y1响应时间OFF-》ON15微秒ON-》OFF30微秒FX2N的高速脉冲输出单元FX-1GM，FX-10GM，FX-20GM，FX-1PG频率最大分别100K跟200K
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加TA为好友 发表于： 19:59:00 10楼
QQ对此感兴趣的可以加我,我们好好聊聊.
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加TA为好友 发表于： 19:59:00 11楼
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加TA为好友 发表于： 17:07:43 12楼
不得外接电阻和三极管的吗 直接连？不会烧吗
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