基于LabVIEW的電閉環(huán)數(shù)控多伺服控制系統(tǒng)設(shè)計

王高升，鄧奕，謝騏，關(guān)耀奇

(湖南工程學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院，湖南湘潭 411101)

基于LabVIEW的電閉環(huán)數(shù)控多伺服控制系統(tǒng)設(shè)計

王高升，鄧奕，謝騏，關(guān)耀奇

(湖南工程學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院，湖南湘潭 411101)

設(shè)計了基于LabVIEW軟件開發(fā)平臺的電閉環(huán)數(shù)控機(jī)床多伺服控制系統(tǒng)。利用西門子公司S120變頻驅(qū)動模塊，采用共直流母線的電閉環(huán)能量反饋系統(tǒng)，通過Profibus總線使S7-300 PLC與S120進(jìn)行數(shù)據(jù)交流，同時PLC采集速度/轉(zhuǎn)矩信號，進(jìn)行PID閉環(huán)控制，用輸出量控制S120逆變模塊，達(dá)到精確控制轉(zhuǎn)速/轉(zhuǎn)矩的目的。同時S7-300高速串口模塊與上位機(jī)LabVIEW軟件系統(tǒng)通信進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。試驗系統(tǒng)的成功運行，證明了此系統(tǒng)的控制可行性，通過電閉環(huán)控制方式可大幅提高電能的利用，對數(shù)控多伺服傳動控制系統(tǒng)試驗具有一定的指導(dǎo)意義。

電閉環(huán);LabVIEW軟件;多伺服控制系統(tǒng);節(jié)能

伺服系統(tǒng)是數(shù)控機(jī)床的組成之一。復(fù)雜數(shù)控伺服系統(tǒng)的實際使用情況非常復(fù)雜，如起步、怠速停車、低速或高速、加速、減速、過載和反轉(zhuǎn)等［1］，從而使得機(jī)床的驅(qū)動力和車速在很大的范圍內(nèi)變化。但由于其本身結(jié)構(gòu)復(fù)雜、工作環(huán)境惡劣等原因，數(shù)控機(jī)床的多伺服系統(tǒng)容易受到損害和出現(xiàn)故障［2］。隨著制造業(yè)的高速發(fā)展，高性能的多伺服數(shù)控加工機(jī)床使用越來越多，同時對多伺服系統(tǒng)控制要求也越來越高［3－4］。隨著數(shù)控機(jī)床的日益普及，日常使用中伺服控制系統(tǒng)的故障給人們帶來的影響也越來越大。因此復(fù)雜數(shù)控機(jī)床伺服控制系統(tǒng)的設(shè)計也變得尤為重要，尤其是對于多伺服系統(tǒng)的電能利用具有高的要求。

綜上所述，文中提出了采用電能能量反饋循環(huán)的方式搭建多伺服控制系統(tǒng)，通過采用西門子S120變頻單元［5］，采用整流與逆變分開，所有逆變模塊通過共用直流母線方式連接在整流單元上，中央CPU總體控制電能的分配和反饋循環(huán)［6］利用，從而大大節(jié)約了電能，對于長時間的數(shù)控機(jī)床加工相當(dāng)有意義。同時通過西門子S7-300 PLC系統(tǒng)對采集來的轉(zhuǎn)矩/轉(zhuǎn)速信號進(jìn)行反饋，構(gòu)成全閉環(huán)的PID控制，從而達(dá)到精確控制轉(zhuǎn)速/轉(zhuǎn)矩目的［7］。采用圖形化的LabVIEW軟件對其進(jìn)行上位機(jī)開發(fā)，可以方便地處理和顯示各種傳感數(shù)據(jù)及生成報表。

1 數(shù)控機(jī)床多伺服電氣控制系統(tǒng)

多伺服系統(tǒng)電氣控制原理圖如圖1所示。S120變頻驅(qū)動系統(tǒng)通過自身特有的高速通信協(xié)議DRIVECLIQ將整流單元以及逆變單元連接到中央控制SU320-CPU中，中控CPU可以控制直流母線電壓，以及能將處于發(fā)電機(jī)模式產(chǎn)生的電能反饋到電網(wǎng)上供給直流母線其他電動機(jī)模式的逆變模塊的利用，從而大幅節(jié)約整體系統(tǒng)的電能，逆變單元能控制所輸出電機(jī)的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩。同時S120中控CPU通過Profibus網(wǎng)絡(luò)可與S7-300 PLC進(jìn)行高速外界數(shù)據(jù)交換，進(jìn)行全閉環(huán)的控制。

圖1 電氣控制系統(tǒng)原理圖

S120變頻系統(tǒng)，在大功率試驗時對周邊其他控制系統(tǒng)具有比較大的影響，尤其是其產(chǎn)生的高次諧波的作用，因此在進(jìn)行實際操前必須對其進(jìn)行組態(tài)測試和仿真分析，選擇電纜、濾波器和電抗器，以使系統(tǒng)正常穩(wěn)定可靠地運行。利用西門子SIZER軟件可方便實現(xiàn)對S120系統(tǒng)進(jìn)行組態(tài)和仿真分析整個系統(tǒng)。一般一個組態(tài)步驟過程可分為以下幾個部分:

(1)對電網(wǎng)進(jìn)線進(jìn)行組態(tài);

(2)電機(jī)和減速器的設(shè)計計算;

(3)傳動部件的組態(tài);

(4)電抗、濾波器和電纜等附件的選型。

通過系統(tǒng)組態(tài)，將得到詳細(xì)的S120元器件清單、系統(tǒng)技術(shù)數(shù)據(jù)、特性曲線、電網(wǎng)諧波畸變曲線，其組態(tài)如圖2所示。

圖2 S120組態(tài)

S7-300是德國西門子公司生產(chǎn)的可編程序控制器 (PLC)系列產(chǎn)品，因其具有模塊化結(jié)構(gòu)、易于實現(xiàn)分布式的配置以及性價比高、電磁兼容性強(qiáng)、抗震動沖擊性能好的優(yōu)點，使其在廣泛的工業(yè)控制領(lǐng)域中，成為一種既經(jīng)濟(jì)又切合實際的解決方案。由于其自身有強(qiáng)大的FB41連續(xù)模擬控制PID控制功能塊，可用來實現(xiàn)將控制器用作PID固定設(shè)定值控制器、或者在多回路控制中用做級聯(lián)、混合貨比率控制器。它可以在手動模式和自動模式之間切換。在手動模式下，可調(diào)節(jié)變量被修正到手動選擇的數(shù)值。積分器(INT)內(nèi)部被設(shè)置成LMN-LMN_P-DISV，而微分單元 (DIF)被設(shè)置成0，這些都是自動在內(nèi)部進(jìn)行匹配的。這樣，切換到自動模式就不會導(dǎo)致調(diào)節(jié)值的突然變化。其系統(tǒng)工作控制原理如圖3所示。

圖3 連續(xù)PID控制原理圖

2 LabVIEW的軟件系統(tǒng)

整個軟件系統(tǒng)采用基于狀態(tài)機(jī)的模塊化設(shè)計，其軟件構(gòu)件如圖4所示，它主要由數(shù)據(jù)測量、數(shù)據(jù)加工、數(shù)據(jù)存儲、參數(shù)控制和參數(shù)管理5個部分組成。測量部分主要是完成電機(jī)的轉(zhuǎn)速、輸入扭矩、機(jī)床的機(jī)械效率、變速器內(nèi)潤滑油溫度等與控制有關(guān)的參數(shù)測量。

加工是測控系統(tǒng)必不可少的功能，它可以將各個表面上看起來互不相干、獨立測量到的參數(shù)系統(tǒng)地組合起來，變成相互之間有影響、有關(guān)聯(lián)的數(shù)據(jù)鏈，從而形成一個相對完整有機(jī)數(shù)據(jù)系統(tǒng)，對系統(tǒng)性能進(jìn)行總體評價。

存儲是將實驗數(shù)據(jù)存取到計算機(jī)硬盤上以及進(jìn)行相應(yīng)的顯示和轉(zhuǎn)換。

控制主要是實現(xiàn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩以及溫控儀表的PID參數(shù)調(diào)節(jié)和設(shè)置。

管理是實現(xiàn)用戶權(quán)限和數(shù)據(jù)庫的建立，便于日后歷史數(shù)據(jù)的查詢和歸類等。

軟件整體監(jiān)控界面如圖4所示。

圖4 軟件系統(tǒng)構(gòu)架圖

整個軟件系統(tǒng)中，其最重要的就是上位機(jī)Lab-VIEW與下位機(jī)S7-300 PLC和富士PXR9通信程序的編寫，它直接關(guān)系到上位機(jī)和下位機(jī)系統(tǒng)是否能夠進(jìn)行數(shù)據(jù)交換、下位機(jī)的信號能否上傳以及上位機(jī)的指令能否下達(dá)到下位機(jī)中。對于S7-300 PLC以及PXR-9溫控通信儀表，都采用MODBUS RTU的通信方式與上位機(jī)LabVIEW進(jìn)行通信，其中最重要的就是十六進(jìn)制譯碼程序。CRC校驗程序、串口初始化程序;其部分代碼分別如圖5—8所示。

圖5 軟件主監(jiān)控界面

圖6 CRC校驗程序

圖7 字符串解譯瑪程序

圖8 串口初始化通信程序

3 結(jié)論

試驗設(shè)計的電閉環(huán)數(shù)控多伺服控制系統(tǒng)最終成功應(yīng)用。綜上所述，得出以下幾點結(jié)論:

(1)采用共直流母線的S120變頻系統(tǒng)，能夠?qū)⑻幱诎l(fā)電狀態(tài)的電能有效反饋到電網(wǎng)進(jìn)行利用，從而大大節(jié)約了電能，對以后數(shù)控機(jī)床伺服系統(tǒng)的節(jié)能設(shè)計具有一定的指導(dǎo)意義;

(2)對S7-300 FB41 PID控制模塊控制原理進(jìn)行了說明，對以后數(shù)控操作編程時PID參數(shù)的調(diào)節(jié)起到了一定的指導(dǎo)作用。

(3)設(shè)計出了用于PLC通信的LabVIEW RCR、解碼和譯碼程序以及串口通信程序，成功應(yīng)用于與西門子PLC和富士PXR9通信程序，對以后LabVIEW與第三方通信具有一定的指導(dǎo)意義。

［1］彭天好，樂南更.變轉(zhuǎn)速泵控馬達(dá)系統(tǒng)轉(zhuǎn)速降落補(bǔ)償試驗研究［J］.機(jī)械工程學(xué)報，2012，48(4):175 －181.

［2］馬明陽.數(shù)控系統(tǒng)可靠性預(yù)計及軟件可靠性研究［D］.長春:吉林大學(xué)，2012.

［3］張有祿.變速箱疲勞壽命試驗臺的結(jié)構(gòu)特點及選用［J］.機(jī)械管理開發(fā)，2008(5):35 －37.

［4］ YAMAGUCHI Hiroshi，NARITA Yasushi，TAKAHASHI Hiroshi，etal.Automatic Transmission Shift Schedule Con-trol Using Fuzzy Logic［R］.SAE930674，1993:1077 －1088.

［5］ SIMATIC Statement List(STL)for S7-300 and S7-400 Programming Reference Manual［M］.Siemens AG 2002.

［6］OFFICER Todd M.A Three Dimensional Method for Determining Vehicle Load in a Powershift Transmission Application［R］.SAE952132，1995:1 －6.

［7］王曉，張寶懷.基于labvIEW的熱換器性能試驗裝置測控系統(tǒng)的開發(fā)［J］.機(jī)械工程學(xué)報，2009，45(4):309－312.

Design of Electric Closed-loop Multidrive NC Servo Control System Based on LabVIEW

WANG Gaosheng，DENG Yi，XIE Qi，GUAN Yaoqi
(Department of Mechanical Engineering，Hunan Institute of Engineering，Xiangtan Hunan 411101，China)

Electric closed loop multidrive NC servo control system was designed based on LabVIEW.A Siemens S120 variable frequency drivemodule and a electric closed loop power feedback system on one DC generatrix were used，so S7-300 PLC could exchange data with S120 through Profibus bus.At the same time，speed/torque signalswere collected by PLC for PID closed loop control.Then S120 invertermodulewas controlled by PLC output，toachieve the goal ofaccurate controlon speed/torque.High-speed serialmodule communicated with LabVIEW system host computer for date exchange.The test system runs successfully，and the control feasibility of the system is verified.Utilization of power ismore effectively by using electric closed loop feedback，and it has certain significance to driving control system test.

Electric closed loop;LabVIEW software;Multidrive NC servo control system;Energy conservation

TP27

B

1001－3881(2014)10－187－3

10.3969/j.issn.1001 －3881.2014.10.057

2013－04－22

湖南省教育廳一般項目 (13C179);湖南省科技計劃項目 (2013GK3028)

王高升 (1981—)，男，碩士，實驗師，研究方向為機(jī)械設(shè)計制造。E－mail:wordok@163.com。

book=10,ebook=206