基于PLC的一维转台伺服控制系统设计

朱亚东 韩 望 杨益洲 周中升

（1.扬州市职业大学，扬州 225009；2.扬州大学，扬州 225127）

精密转台既可以作为精密仪器的工作平台，也可以作为一些设备的支承架[1]。它主要为仪器设备提供精确方位指向，其性能的好坏直接决定了仪器设备的精度和性能[2]。转台可分为一维转台、二维转台和三维转台等。一维转台是只有一个角运动自由度的单轴转台[3-4]。本文采用可编程逻辑控制器（Programmable Logic Controller，PLC）、触摸屏以及伺服电机等元器件设计一维转台的伺服控制系统，使转台定位精确，响应快速，运行稳定可靠。

1 转台伺服控制系统设计要求

该转台有调试运行模式、连续运行模式以及定位运行模式3种模式选择。调试模式可以实现转台的正反向点动控制。连续运行模式可以使转台按照给定转速实现正反向的连续运行。定位运行模式能够控制转台按要求快速到达指定的位置角度。该模式下设有回原点功能，可以使转台快速返回原点位置。

2 伺服系统工作原理

该系统采用PLC控制技术、交流伺服技术、触摸屏技术以及网络通信技术等[5]。通过触摸屏、PLC、伺服电机等器件设计一套高可靠性、高集成度的伺服控制系统，能切实有效地控制一维转台按照设计要求进行工作，原理如图1所示。

图1 伺服系统原理框图

该控制系统借助网络通信技术实现各设备之间的信息交互，通过触摸屏发送控制指令。PLC根据接收到的控制指令控制伺服电机转动，再通过机械传动装置将伺服电机的转动转化为转台的旋转运动，使得转台根据控制指令要求完成转动，并通过伺服电机编码器对位置、速度进行检测，将检测结果反馈给驱动器，然后与给定的位置、速度信息进行比对，形成一个闭环控制系统，从而使转台按照给定的控制要求有序运行且达到相应的精度要求。

3 元器件选型及硬件电路设计

3.1 PLC

PLC是整个系统的控制核心。它接收触摸屏传送过来的控制指令，通过程序的运算和处理，形成伺服电机的控制输入信号，并传送给伺服电机驱动器。PLC还能接受伺服电机的位置、状态的反馈信息，并将其通过触摸屏实时显示出来。基于可靠性和精度的考虑，PLC通过工业以太网总线和触摸屏、伺服电机进行通信。因为工业以太网总线具有高可靠性、高传输速率等特点，所以在控制系统中得到了广泛应用。

本系统采用S7-1200西门子PLC，具体型号为CPU 1214C DC/DC/DC（6ES7 214-1AG40-0XB0）。PLC的数字量输入信号有原点接近开关、启动按钮和急停按钮，输出信号有电源指示灯、运行指示灯和散热风扇。PLC外部接线图如图2所示。

图2 PLC接线图

3.2 触摸屏

该伺服控制系统通过触摸屏操控转台。触摸屏选用威纶通MT8071IP触摸屏，是一套基于Windows平台的触摸屏，用于快速构造和生成上位机监控系统的组态软件系统[6]，主要完成现场数据的收集与监控，以及控制指令的发出。

3.3 伺服电机

伺服电机控制一般是指对电流环、速度环和位置环的控制[7]，控制原理图如图3所示。电流环主要是进行扭矩控制，其反馈来自于驱动器内部安装在每相上的霍尔元件；速度环和位置环的反馈则来自安装在伺服电机尾端的编码器[8]。3个环均是将设定值和反馈值进行比较后的差值经过PID调节后输出。

图3 伺服电机控制原理图

根据转台、负载以及传动机构等的实际情况，计算出电机驱动力矩不能小于0.6 N·m。结合转台体积不能过大的要求，在本方案中驱动系统采用德国西门子公司的V90交流伺服系统。驱动器和电机的型号分别是6SL3210-5FB10-4UF1和1FL6034-2AF21-1AB1。SINAMICS V90是西门子推出的一款小型、高效便捷的伺服系统，可以实现位置控制、速度控制和扭矩控制[9]。该系统可靠性高，且具有很高的性价比。本项目中伺服系统和PLC之间采用工业以太网进行通信，伺服驱动器的接线图如图4所示。

图4 伺服驱动器接线图

4 软件程序设计

4.1 PLC程序设计

PLC及伺服电机均选用的西门子产品，利用SINAMICS V-ASSISTANT软件对伺服电机参数进行设置。配置报文时，选择标准报文3，然后再利用西门子TIA Portal V15软件进一步进行设置及编程。首先，进行项目配置。创建新项目并添加S7-1200 CPU和SINAMICS V90 PN到项目中，对两个设备进行设备组态，设置IP地址、设备名称等信息，然后完成两设备的连接。其次，插入工艺对象“TO_PositioningAxis”，对电机运行的相关参数进行设置。最后，通过Motion Control指令进行编程。通过MC_Power启动/禁用轴指令进行伺服使能上电控制，MC_MoveJog点动指令实现转台的点动控制。MC_MoveVelocity速度运行指令可以使转台以预设的速度进行连续运行，通过MC_Halt停止轴运行指令来停止通过MC_MoveVelocity指令触发的连续运行。MC_Home回原点指令进行回原点操作，MC_MoveAbsolute绝对位置指令实现转台的定位控制。

4.2 显示屏界面设计

通过威纶通触摸屏EasyBuilder Pro软件进行界面组态，本系统触摸屏设计调试运行模式、连续运行模式、定位运行模式的功能界面，如图5所示。

图5 触摸屏界面

5 调试与运行

第一步，利用SINAMICS V-ASSISTANT软件中的调试功能调试伺服电机，从而确定电机接线是否正确，电机是否正常。第二步，利用TIA Portal V15软件，在S7-1200与V90的组态配置完成后，打开工艺对象的调试界面调试电机，以确定组态是否正确。第三步，当电机控制程序编写好后，将PLC和伺服电机一起联调，测试电机控制程序是否正确。第四步，进一步完善PLC程序，等触摸屏界面组态好后，将触摸屏连入系统继续联调。第五步，将电机安装到转台上，带动转台运行调试，然后加上负载继续进行调试。第六步，等所有功能均实现后，让转台连续工作运行测试。

6 结语

为了实现一维转台的精确控制，本文进行了PLC、触摸屏以及伺服电机等元器件的选型和硬件电路设计，并通过TIA Portal V15软件和EasyBuilder Pro软件分别对PLC和触摸屏进行了软件程序设计，最终完成的一维转台伺服控制系统能实现转台的点动控制、连续运行控制以及定位控制，且运行精度较高，性能平稳可靠，满足了控制要求。