数控机床开环伺服进给系统的PLC控制

1 数控机床伺服系统分类与特点

　　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。

　　1.1 开环控制系统

　图1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-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PLC控制

　　2.1 步进电机开环控制系统控制参数

　　使用PLC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PLC输出的脉冲个数，设

　　PLC输出的脉冲个数为N：

　N=TL／δ (1)

　　式中：TL——伺服机构的位移量(ITlm)；8——伺服机构的脉冲当量(mm／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PLC输出的脉冲频率，设PLC输出的脉冲个数为f：

　　F=Vf／60δ (Hz) (2)

　　式中Vf-一伺服机构的进给速度(mm／min)

　　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A—AB—B— BC—C—CA—A? 时步进电机正转，当把绕组的通电顺序改变为A—AC—C—CB—B—BA—A?时，步进电机将反转。因此可以通过PLC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 PLC控制的方法

　　2.2.1 结构

　　利用德国西门子公司的S7—200PLC，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。

　　2.2.2 PLC

　　用于产生脉冲，控制电机的速度和转向。如S7— 200PLC的CPU214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。S7—200CPU本体已含有高速脉冲输出功能，CPU脉冲输出频率达20KHz-100KHz，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I1.0发出“启动” 信号后，S7—200PLC的Qo．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I1.1发出“停止”信号后，步进电机停止转动。接在输入端I1.5的方向开关位置决定电机正转或反转。

　　2.3 PLC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。

3 PLC控制完成的功能

　　3.1 平稳起动、加速、减速、平稳停止功能

　　在S7—200中，支持高速输出口PTOO／VT01的线性加／减速，通过MicroWin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PLC的CPU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(Duulcoding)给CPU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CPU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所示。

　　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Ia、Ib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Ia、Ib的合成矢量角度不断变化，其幅值始终为圆的半径。如图8、图9所示。

4 结语

　　PLC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PLC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PLC的I／0点数。步进电机功率驱动器将PLC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PLC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。

　　如伺服机构采用硬件环行分配器，则占用PLC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PLC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10所示，伺服系统采用软件环行分配器时，其接口如图11。

　　采用PLC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。