對于由伺服電機帶動的旋轉物體進行位置控制，通常采用套軸式的電磁旋轉變壓器加復雜的處理電路來實現角度的編碼，再由角度編碼進行位置的閉環控制。上述的位置控制多用于測角精度要求高的場合中，設備構成復雜、成本較高。在某些實際應用中，需要進行較為簡單的位置定位。比如在一個由伺服電機帶動的機械機構需要在360°的旋轉范圍內進行4個或多個檔位的定位，實際應用中像建筑行業中控制閥門的大小來對給水量、水泥量、沙石量進行控制或軍工工程控制，這樣的定位控制精度要求不高，采用上述的方法進行位置控制顯然不夠經濟，成本過高。

    PLC(Programmable Logic Controller)在工業控制中應用廣泛。其高可靠性、高穩定性、友好的編程環境以及輔以觸摸式人機界面，使得各種工業控制更方便直觀、經濟可靠。這里主要闡述了基于S7-200PLC實現位置控制方法。

1 系統硬件設計

    該系統是以PLC控制器為核心的位置控制系統，包含伺服電機、光電編碼器、操作及顯示屏、上位計算機、伺服電機控制電路和狀態返回電路。其硬件總體結構框圖如圖1所示。

圖1 系統硬件總體結構框圖

1.1 S7-200 PLC

    該系統設計核心部件采用西門子S7-200系列的PLC，該系列PLC功能豐富，具有多種功能模塊，可方便通過人機界面對設備進行操作和監視其狀態，高版本的PLC主機擁有2個通訊端口，在使用人機界面對設備進行操作的同時還可通過RS-485接口和計算機實現邏輯運算及狀態管理，對設備進行遠程控制和監視。該系統使用S7-200 PLC的一個重要的功能：高速可逆計數。光電編碼器和伺服電機同軸連接，伺服電機旋轉帶動光電編碼器產生連續的脈沖串，PLC通過輸入點讀取光電編碼器產生的脈沖，實現高速可逆計數。例如設置高、中、低3個給水量檔位并進行控制。在調試階段應先驅動伺服電機進行3個給水量的位置標定，也就是說，高、中、低3個檔位分別對應唯一的脈沖數。應該注意的是，由于采用的是增量式光電編碼器，也就是說，當編碼器掉電后并不能將當前的脈沖數保存。所以在旋轉機構上還要設置2個限位開關，一來保護機械結構；二來把逆向的限位開關的位置定為零位，這樣相對于這個零位的高、中、低3個給水檔位從光電編碼器讀到的脈沖數即為這3個檔位的位置。這3個位置可通過PLC編程對其控制。圖2給出S7-200 PLC高速可逆計數器的時序圖。

圖2 S7-200PLC高速計數器時序表

1.2 光電編碼器

    光電編碼器，是一種通過光電轉換將輸出軸上的機械幾何位移量轉換成脈沖或數字量的傳感器。這是目前應用最多的傳感器，光電編碼器是由光柵盤和光電檢測裝置組成。光柵盤是在一定直徑的圓板上等分地開通若干個長方形孔。由于光電碼盤與電動機同軸，電動機旋轉時，光柵盤與電動機同速旋轉，經發光二極管等電子元件組成的檢測裝置檢測輸出若干脈沖信號，此外，為判斷旋轉方向，碼盤還可提供相位相差90°的兩路脈沖信號。圖3為在實際項目中采用光電編碼器的時序圖，從圖中可以看出此光電編碼器的相位判斷角度為90°±45°；另外圖中標識的CW(順時針)和CCW(逆時針)可以根據實際應用在PLC程序中自行定義。圖4為在實際項目中采用光電編碼器的內部電路和外部引線圖。

圖3 光電編碼器時序圖

圖4 光電碼盤的內部電路與外部引線

2 系統軟件設計

2.1 設計要點

    該系統軟件設計的重點為：1)準確配置高速計數器；2)位置控制器的允差設計，允差的選擇應盡量小以提高伺服系統的控制精度，在滿足系統定位精度的前提下，允差的設計上還需要考慮于機械結構定位的分辨率，以免設置值過小機械結構控制不到位而引起驅動電機反復轉動調節，往往需要現場標定；3)初始位置的精確標定，需要注意的是初次標定各檔位位置時應使用手動控制方式，并且要將機械限位開關狀態接入PLC。由于采用增量式光電編碼器，計數器當前值要存在PLC的掉電可保存寄存器MDl4中。

2.2 程序設計

    在程序中首先需要將高速計數器配置為A／B相正交輸入，4倍計數速率，增計數，并使能高速計數器，然后將標定好的各檔位位置填入相應的地址中，并且設置允差為兩個脈沖，也就是說各檔位的脈沖數加減2即為相應的到位。伺服系統傳動裝置的間隙是多樣性的，并且對伺服控制的性能有影響，設置允差的目的是為了消除由于伺服傳動間隙引起的系統不穩定，從而準確定位。位置定位程序的流程如圖5所示。

在程序設計時除順、逆限位和順轉、逆轉的互鎖程序外，重點在于如何用PLC實現多點重復定位。主要設計程序如下：

3 工程應用情況

    這種設計方法被利用在某軍用雷達工程的衰減器控制的4位置定位系統中，系統要求驅動機械部件在0°～360°內的4個位置往返定位，定位精度要求O．1°。在具體的設計中驅動電機選用型號為55TYD02的交流電機，編碼機構選用型號為OMRON E6B2的相對式光電碼盤。位置的行程范圍360°對應于8 400個脈沖，則使用S7-200 PLC高速計數器讀入的位置分辨率為360°／8400=0．043°；根據機械結構實際標定位置允差值設置為2個脈沖，此定位系統的控制精度可達到0．86°，滿足系統定位精度0．1°的要求，電機正向或反向運轉一次到位，快速準確。

4 結束語

    PLC適用于比較惡劣的工業環境，通過其通訊口和上位計算機實現通訊，可以使操作人員在安全的環境下實現遠程控制；光電編碼器構造原理簡單，機械壽命可達幾萬小時以上，抗干擾能力強。由兩者為核心構成的硬件電路實現位置控制方法適用于具有多個設置點重復定位的機械旋轉控制設備，完全滿足一般的工業控制要求。這種設計原理清晰、硬件需求明確、易于實現、調試維護方便，具有很好實用和適用性。上述的位置控制方法已經應用于某軍用雷達工程的衰減器控制中，其控制精度可達到0．86°，滿足系統定位精度0．1°的要求，設備運行穩定可靠，效果良好。