触摸屏在伺服电机控制系统中的应用*

武永强，于 涛

(辽宁工业大学 机械工程与自动化学院，辽宁 锦州 121000)

0 引言

目前，PLC凭借其优越的稳定性和对各种工作环境极高的适应性被广泛应用于伺服电机控制系统[1-3]。但是只用PLC控制伺服电机也有明显的不足，在设备调试、设备维护以及更换生产任务时，需要现场工程师利用电脑软件修改PLC程序以及相应的数据，这种操作对于现场工程师来说是非常繁琐且低效的[4]。

为了解决上述问题，本文将触摸屏应用到伺服电机控制系统中。通过触摸屏可对PLC中的数据进行相应的修改，进而修改伺服电机的各种运行参数，对伺服电机进行有效控制。

1 伺服控制系统硬件设计

1.1 硬件选型

核心控制器选用西门子S7-200 SMART PLC,CPU型号为ST30标准型CPU模块。ST30标准型CPU模块为晶体管输出，24 V DC供电，具有18DI/12DO、3个高速脉冲输出口，能够组态三轴的运动。

触摸屏选用昆仑通态MCGS触摸屏，型号为TPC1061Ti(Xi)。该触摸屏尺寸为10寸，分辨率为1 024×600，主频频率为600 MHz,内存和储存均为128 MB。

伺服电机和伺服驱动器选用性价比较高的Panasonic A6系列，伺服驱动器选用MADLN15SE，伺服电机选用MHMF022L1U2M。该伺服电机小巧、轻盈、扭矩大，适用于各种小型设备。

1.2 硬件连接

PLC作为伺服控制系统的核心，给伺服驱动器发送指令控制伺服电机的运行，同时也接收来自伺服驱动器的信号来监控电机状态。MCGS触摸屏在伺服电机控制系统中作为控制面板来使用，与PLC之间实现实时通讯。必要时，MCGS触摸屏可以编辑循环策略简化PLC的程序[5]。伺服控制系统的硬件连接如图1所示。

图1 伺服控制系统的硬件连接

图1中，MCGS触摸屏和SMART PLC之间用网线连接，伺服驱动器和伺服电机之间采用配套的电机线和编码器线连接。伺服驱动器控制端子是50针的接头，每个接头都有不同的含义。根据实际所需连接相应的控制端子，本文所需控制端子及各端子参数如表1所示。

表1 控制端子参数

2 伺服电机控制系统

伺服电机控制系统以PLC为控制核心，借助PLC技术实现对伺服电机运动的控制，主要通过脉冲量、模拟量角度实现对位置以及电机速度的控制[6-8]。本文以脉冲方式实现对伺服电机位置以及速度的精确控制。

2.1 PLC的I/O地址分配

PLC程序编辑时，首先对PLC的I/O地址进行合理规划。根据控制需求对I/O地址进行分配，部分I/O地址分配如表2所示。

表2 PLC部分I/O地址分配

2.2 PLC程序编辑

PLC采用的是S7-200 SMART，故用编程软件STEP7-MicroWIN-SMART-V2.4进行程序编辑。S7-200 SMART CPU ST30 PLC的3路高速脉冲输出支持PWM和PTO脉冲输出方式以及多种运动模式，可自由设置运动包络。

本文采用ST30 PLC本体上的 Q0.1和Q0.7输出端子，通过运动控制向导设置，组态PTO高速脉冲输出方式，完成调速和定位等运动控制功能[9]。利用PLC编程软件中的运动向导编辑控制电机的相应参数以生成子例程，再通过调用相应的子例程来控制伺服电机。通过编辑常用的子例程控制伺服电机运动，部分PLC程序如图2所示。

图2 伺服电机的部分PLC控制程序

2.3 伺服驱动器参数设置

伺服驱动器根据种类和型号的不同，对其中的某些必要参数进行不同的设置。本文采用Panasonic A6系列伺服驱动器，对伺服驱动器中必要的参数进行设置，如表3所示。

表3 伺服驱动器参数设置

3 触摸屏设计

3.1 用户窗口设计

用户窗口的设计以醒目、简单、整齐、操作方便为原则，设计的伺服电机用户窗口如图3所示。

图3 伺服电机用户窗口

用户界面中的操作界面能够完成伺服电机的手动控制或者自动控制。手动控制包括电机的正转点动、反转点动以及设定速度的正转和反转；自动控制中含有自动寻参(自动寻找参考点)以及自动运行。

监控界面能监控伺服电机运行的各个状态以及获取伺服电机的当前参数。一般情况下仅监控图3所示的伺服电机状态以及伺服电机当前位置和当前速度。

3.2 设备添加与参数设置

在设备窗口打开工具箱的设备管理界面找到“西门子_smart200”,双击添加到选定设备中。在选定设备中依次双击“通用串口父设备”和“西门子_smart200”，完成设备窗口的添加[10]。设备窗口组态如图4所示。

图4 设备窗口组态

设备窗口组态完成后，双击图4中选定的设备，对该设备进行参数设置，如图5所示。

图5 参数设置 图6 部分设备通道 图7 变量连接

将设备名称改为ST30，方便与其他设备相区别；本地IP地址设为与MCGS触摸屏相同的IP地址，以便将程序下载到MCGS触摸屏中；远端IP地址设为与SMART PLC ST30相同的IP地址，使触摸屏能够与PLC之间通讯。

3.3 设备通道建立与变量连接

为了使MCGS触摸屏能够与PLC之间进行通讯，需建立相应的设备通道。根据PLC程序及控制需求建立如图6所示的部分设备通道，使MCGS触摸屏能够与PLC之间进行相应的通讯。

建立好设备通道以后，该设备中所有的连接变量将会添加到MCGS触摸屏的实时数据库中。然后，在用户窗口的控件里面与实时数据库的相应变量建立连接。以图3中的正转点动按钮为例，变量连接如图7所示。

4 实验

利用实验室现有的电机实验工作台来进行实验。电机实验工作台上需要用到的设备有MCGS触摸屏、SMART PLC ST30、Panasonic伺服电机驱动器、Panasonic伺服电机、两个接触器、网线以及导线等。通过硬件连接将MCGS触摸屏、PLC、伺服驱动器、伺服电机等连接起来，如图8所示。

图8 实验硬件连接

在触摸屏上对伺服电机进行控制，观察电机控制效果以及触摸屏反馈信息。通过实验得出，MCGS触摸屏能够手动或者自动控制伺服电机；在MCGS触摸屏中改变伺服电机的目标位置和运行速度十分方便；电机的各种运动状态能够在MCGS触摸屏中得到清晰显示。

5 结语

本文通过MCGS触摸屏与伺服电机控制系统相结合，使伺服电机控制系统更加灵活、方便。通过MCGS触摸屏即可改变伺服电机的运行速度和目标位置，为伺服电机控制系统的调试与维护提供了方便。通过实验验证，MCGS触摸屏与伺服电机控制系统配合亲密无间，能够达到预期效果。