基于松下FP0_PLC的MG995舵机控制系统实现

０．引言 ＰＬＣ 的应用已经成为现代设备的象征，是现代工业控制的主要手 段和重要的基础控制设备之一。ＰＬＣ 具有稳定、可靠和实时处理能力强 的优点。ＰＬＣ 利用最基本的逻辑运算、定时、计数等功能进行逻辑控制， 可以取代传统的继电器控制系统，广泛应用于机器人、机电系统和航模 的输出执行机构。ＰＬＣ 控制机械臂是由 ＰＬＣ 操作达到我们预定的目标。 机械臂是由舵机关节组成，里面的舵机控制卡来控制具有自由度。控制 机械臂是通过控制舵机来实现。本控制系统是利用松下 ＦＰ０－ＰＬＣ 对 Ｍ Ｇ ９９５ 舵机控制实现机械臂的动作。该系统主要由 Ｍ Ｇ ９９５ 舵机、接口 电路、松下 ＦＰ０－ＰＬＣ 三部分构成，如图 １ 所示：
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图 ６ 利用中断定时功能产生 ＰＷ Ｍ 的程序 ４．２ 采集 ＰＷ Ｍ 的边沿产生 ＰＷ Ｍ 波形法 松下 ＦＰ０－ＰＬＣ 具有 ＰＷ Ｍ 功能，但是周期没有符合条件的，其中 有一个周期为 １０ｍ ｓ，占空比可调的 ＰＷ Ｍ ，即 ＰＬＣ 的 ＰＷ Ｍ 模块先输出 一个周期的 ＰＷ Ｍ ，然后断开输出 １０ｍ ｓ，这样循环就可输出周期为 ２０ｍ ｓ，占空比可调的 ＰＷ Ｍ 波形。通过采集 ＰＷ Ｍ 的边沿来通断 ＰＷ Ｍ ， 使 ＰＷ Ｍ 的周期增加。硬件的连接是将 ＰＷ Ｍ 的输出端接 Ｙ ０ 到输入端 Ｘ １，当输入端 Ｘ １ 采集到一个上升沿时，就断开 ＰＷ Ｍ 输出，２０ｍ ｓ 循环 一次。需用 ２ 个定时器，定时器 １ 来定时触发关断 ＰＷ Ｍ 输出，定时器 ２ 来定时触发 ＰＷ Ｍ 的周期 ２０ｍ ｓ，两个定时器不能同时定时。当总开关打 开时，定时器 ２ 开始定时，同时 ＰＷ Ｍ 输出，当输出上升沿时，被输入端 采集到，输入端触发定时器 １，可让定时器 １ 定时 ５ｍ ｓ（大于 ２．５ｍ ｓ 小于 １０ｍ ｓ），定时器 １ 定完时后触发关断 ＰＷ Ｍ 输出，定时器 ２ 定完 ２０ｍ ｓ 的 周期后用定时器 ２ 来触发 ＰＷ Ｍ 接通和定时器清零，循环执行。在系统 中增加脉冲宽度可调功能，增加两个按键分别控制脉冲宽度增加和减 小，从而改变 ＰＷ Ｍ 波形的占空比。 具体程序如图 ７。
２．２ ＰＬＣ 生成 ＰＷ Ｍ 波形法 （１）ＰＷ Ｍ 模块，某些 ＰＬＣ 有专门的产生 ＰＷ Ｍ 功能。 （２）使用定时器定时生产 ＰＷ Ｍ 波形，可用 ＰＬＣ 的定时器定方波高 电平和低电平的时间。循环输出波形就是 ＰＷ Ｍ 波形。 （３）使用间隔定时器生产 ＰＷ Ｍ 波形，间隔定时器是一到设定的时 间，就不受扫描周期的影响，中断正在执行的程序，立即转去执行中断 处理子程序。它也是定时高电平和低电平的输出时间，循环执行产生 ＰＷ Ｍ 波形。 因此用 ＰＬＣ 控制舵机，就是控制 ＰＬＣ 输出符合要求的 ＰＷ Ｍ 波形。 ３．接口电路 从实验测量输出高低电平为 ２２．２Ｖ ／０．６Ｖ ，而舵机输入的 ＰＷ Ｍ 波形 为一定的脉宽 ＴＴＬ 电平，高低电平为 ０Ｖ ／５Ｖ 。ＰＬＣ 连接舵机时需要通过 接口电路实现 ＰＬＣ 输出的高电平 ２２．２Ｖ 转换成 ５Ｖ ，ＰＬＣ 输出的低电平 ０．６Ｖ 转换成 ０Ｖ 。 该接口电路选用的电压转化芯片是 Ｍ Ａ Ｘ ２３２，该芯片包含 ２ 驱动 器、２ 接收器和一个电压发生器电路提供 ＴＩＡ ／Ｅ ＩＡ －２３２－Ｆ 电平。它能够 把 ＰＬＣ 输出的 ＰＷ Ｍ 波形转化成符合舵机输入特性的波形，即把±３０Ｖ 的电压转化为 ０／５Ｖ 的电压。Ｍ Ａ Ｘ ２３２ 实现电平转换时，１．２Ｖ 以下属于 低电平，１．７Ｖ 以上属于高电平。ＰＬＣ 输出的 ＰＷ Ｍ 波形在接入 Ｍ Ａ Ｘ ２３２ 之前，把直流成分去掉，根据电容的隔直通交作用，在 Ｍ Ａ Ｘ ２３２ 的输入 端前面加上电容就可实现了，接口电路连接如图 ５。
图 ５ 接口电路 ４．程序设计 ４．１ 用定时器产生 ＰＷ Ｍ 波形法 定时中断就是中断程序里面设定中断的次数，每隔一定时间反复 执行中断。它最短定时为 ０．５ｍ ｓ，输出高电平时次数乘以定时时间结果 等于 １．５ｍ ｓ 后输出低电平，结果等于 ２０ｍ ｓ 时再输出高电平，计数器清 零，循环执行前面的程序。把脉宽的可调功能加上去，调节中断的次数， 达到调节脉宽的效果。 具体的程序如图 ６。
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图 ７ 采集 ＰＷ Ｍ 的上升沿生产 ＰＷ Ｍ 的程序 ５．总结 用定时器产生 ＰＷ Ｍ 波形法， 通过示波器的测试显示 ＰＷ Ｍ 波形不 稳定，脉冲宽度经常变化，接上舵机后，手臂会抖动；另中断定时最少只 能定时 ０．５ｍ ｓ，脉冲宽度调节时，每次脉冲宽度只能改变 ０．５ｍ ｓ，相对于 舵机每次最少都得转 ４５°，不能实现对舵机的微调。采集 ＰＷ Ｍ 的边沿 产生 ＰＷ Ｍ 波形法，通过示波器的测试显示 ＰＷ Ｍ 波形非常好，上升沿 和下降沿可调性好，脉冲宽度能在 ０．５ｍ ｓ～２．５ｍ ｓ 之间任意变换；ＰＷ Ｍ 波形整体上移峰值减小平均值增大，通过接口转换后接上舵机，能够很 好的控制舵机。
参考文献 ［１］ＥｖａｎｇｅｌｏｓＰｅｔｒｏｕｔｓｏｓ．ＰＬＣ 从入门到精通．北京：电子工业出版社， １９９９ ［２］熊有伦．机器人技术基础．武汉：华中科技大学出版社，１９９６．７８－ ８１ ［３］北京创博兴盛机器人技术有限公司“． 未来之星”用户手册．２００８ ［４］李智辉．基于 Ａ Ｒ Ｍ 的舵机控制器研究．硕士学位论文．北京：北 京理工大学，２００８ ［５］张万忠，钱入庭，宋晋等．可编程控制器入门及应用实例．北京： 中国电力出版社，２００８ ［６］Ｏ Ｍ Ｒ Ｏ Ｎ 公司提供．Ｃ ＰＭ １Ａ 可编程序控制器操作手册．１９９７ ［７］松下公司提供．ＰＦ０ 可编程序控制器操作手册．２００１ ［８］Ｔ Ｉ公司提供．Ｍ Ａ Ｘ ２３２ 数据手册．２００４
图 ４ 舵机的输出轴转角与输入信号的脉冲宽度之间的关系 ２．Ｐ ＬＣ 的特性 ２．１ ＰＬＣ 的输出类型 ＰＬＣ 的输出有继电器输出、晶闸管输出和晶体管输出三种方式。 继电器输出型：Ｃ ＰＵ 驱动继电器线圈，当触点吸合，外部电源通过 闭合的触点驱动外部负载，其开路漏电流为零，响应时间慢（约 １０ｍ ｓ）， 可带较大的外部负载。 晶体管输出型：Ｃ ＰＵ 通过光耦合使晶体管通断，以控制外部直流负
图 ２ Ｍ Ｇ ９９５ 舵机外形及相关参数
图 ３ 舵机控制示意图
舵机控制图如图 ３ 所示，有 ３ 条导线分别是电源线、地线、控制线。
从图 ２ 看出电压介于 ４．８～７．２Ｖ ，一般取 ５Ｖ 。控制线的输入是 ＰＷ Ｍ 脉
冲信号，周期为 ２０ｍ ｓ（即频率为 ５０Ｈ ｚ），通过调节占空比来控制电机的转
参考文献 ［１］殷跃平，张作辰，张开军．我国地面沉降现状及防治对策研究 ［Ｊ］．中国地质灾害与防治学报，２００５，１６（２）：１－ ８． ［２］张阿根，魏子新．中国地面沉降［Ｍ ］．上海：上海科学技术出版社， ２００５． ［３］薛禹群，吴吉春，张云等．长江三角洲（南部）区域地面沉降模拟研 究［Ｊ］．中国科学，２００８，３８（４）：４７７－ ４９２． ［４］陈崇希，裴顺平．地下水开采—地面沉降数值模拟及防治对策研 究—以江苏省苏州市为例［Ｍ ］．武汉：中国地质大学出版社，２００１． ［５］薛禹群．我国地面沉降模拟现状及需要解决的问题［Ｊ］．水文地 质工程地质，２００３（５）：１－ ４． ［６］阎世骏，刘长礼．城市地面沉降研究现状与展望［Ｊ］．地学前缘（中 国地质大学，北京），１９９６（３）：１－ ２．
载，响应时间快（约 ０．２ｍ ｓ），可带外部负载小。 晶闸管输出型：Ｃ ＰＵ 通过光耦合使三端双向可控硅通断，以控制外
部交流负载，开路漏电流大，响应时间较快（约 １ｍ ｓ）。 松下型号为 ＦＰ０－ＰＬＣ ３２Ｃ Ｔ 是晶体管输出型，具有 ２ 路最高可达
１０Ｋ Ｈ ｚ 的脉冲输出，可实现独立控制，互补干扰。２ 通道输出时，每通道 最高 ５Ｋ Ｈ ｚ，可用于两轴位置控制。该型号 ＰＬＣ 具有 ＰＷ Ｍ 输出功能，它 输出的 ＰＷ Ｍ 波形周期是固定的几种，占空比可调。从操作手册查输出 电压为 ２１．６～２６．４Ｖ ，Ｙ ０、Ｙ １ 的响应时间为不大于 ５０ 微秒，输出的响应 时间满足 ＰＷ Ｍ 波形程序输出，即电压不符合要求；可通过 ＰＬＣ 产生 ＰＷ Ｍ 波形后通过接口电路接到舵机上。选用该型号的 ＰＬＣ 符合控制 Ｍ Ｇ ９９５ 舵机要求。
动角度。当脉冲宽度为 ０．５ｍ ｓ～２．５ｍ ｓ 时，舵机旋转-90°到 90°，角度变化
与脉冲宽度的变化成正比。舵机的输出轴转角与输入信号的脉冲宽度
之间的关系如图 ４ 所示。ＰＷ Ｍ 的幅值是 ５Ｖ 时，它的输出轴就会保持在
一个相对应的角度上，无论外界转矩怎样改变，只有提供下一个宽度的
脉冲信号时才会改变输出角度到新的对应的位置上。
图 １ 系统构成图 １．舵机的控制 舵机，顾名思义是控制舵面的电动机，是一种位置伺服的驱动器。 它接收一定的控制信号，输出一定的角度，适用于需要角度不断变化并 可保持的控制系统。主要组成部分：舵盘、减速齿轮组、位置反馈电位计 ５ｋ、直流电机、控制电路板等。Ｍ Ｇ ９９５ 舵机外形及相关参数如图 ２：
（上接第 １３３ 页） 的拟合精度显然较高，为 ０．７６５５８６７，Ｇ Ｍ （１，１）曲线 模型预测的精度较低，为 ３．４５４１２３，在该地面沉降趋势中，Ｌ 曲线较能 准确的接近实际沉降。
四、结束语 通过上述理论分析和工程实例测算，结合沉降预测模型的研究，可 得出如下结论：本文中对模型预测的精度最终表达成为 Ｍ Ａ ＰＥ ［６（］ 平均 绝对百分误差），Ｍ Ａ ＰＥ 是可以用于评定模型预测精度的一种重要标 准，为了方便比较，本系统对两种模型采用了同一比较标准；此外，我们 还能看到，Ｌ 曲线属于增长型曲线，增长特征依时间变化是线性的，对 “Ｓ”型增长规律的拟合预测较适用。用 Ｇ Ｍ （１，１）模型预测，方法简单，易 于计算（特别是用计算机编程或利用软件计算），而且对原始数据的分 布和个数无严格要求（少到四个数据便可建模），因而适应性强，应用范 围广，既可以用于宏观系统，如经济、社会、人口等，也可以用于微观系 统。
参考文献 ［１］万国江，白占国，王浩然等．洱海近代沉积物中碳氮磷的生物地球 化学记录．地球化学，２０００．２９：１８９－ １９６ ［２］万国江．湖泊沉积物 － 水界面地球化学．地球科学基金项目研究 进展（一）．北京：地震出版社，１９９４ ［３］张维．红枫湖、百花湖环境特征及富营养化．贵阳：贵州科技出版 社，１９９９ ［４］朱俊等．过程沉积磷的早期成岩作用模型研究．矿物学报，２００６．９ ［５］王雨春等．贵州红枫湖沉积物磷赋存形态及沉积历史．湖泊科学， ２００４．３
（上接第 １３４ 页） 是“活性”相对较大的有机态磷和铁结合态磷，表 明沉积磷的活化再迁移作用显然控制着红枫湖的磷循环。红枫湖各形 态磷在垂直沉积剖面（或沉积时间序列）的分布特征，一方面反映了早 期成岩作用的动力学过程；另一方面，也反映了物源输入负荷变化等人 为影响的重要信息。红枫湖有机态磷和铁结合态磷，在埋藏过程中受到 明显的早期成岩作用改造，表层（或近年输入）沉积物有机质的矿化分 解，导致了沉积磷的强烈转化迁移；而吸附态磷、自生磷灰石磷和残留 态磷的变化则是沉积物埋藏过程相对较弱的过程。同时，沉积物有机态 磷和铁结合态磷的剖面分布变化，显然与近年来红枫湖水环境富营养 化演化（人为活动影响）历史相关。
科技信息
高校理科研究
基于松下 FP0- PLC 的 MG995 舵机控制系统实现
中北大学信息与通信工程学院 蒙清华 王忠庆 刘长明
［摘 要］随着 ＰＬＣ 在工业控制的广泛应用，基于松下 ＦＰ０－ ＰＬＣ 输出波形 ＰＷ Ｍ 占空比可调的特性设计了对 Ｍ Ｇ ９９５ 舵机的控制系 统。该系统应用 ＰＬＣ 定时器触发和采集 ＰＷ Ｍ 的边沿来通断 ＰＷ Ｍ 波形的输出，通过接口电路完成 ＰＬＣ 输出的电平到舵机 Ｔ Ｔ Ｌ 的 电平转换，达到对 Ｍ Ｇ ９９５ 舵机的控制。实验结果表明，该系统 ＰＷ Ｍ 脉冲宽度在 ０．５ｍ ｓ～２．５ｍ ｓ之间任意变换，实现了角度不断变化 和保持的控制，能够很好的控制 Ｍ Ｇ ９９５ 舵机，达到系统的控制目标。 ［关键词］ＦＰ０－ ＰＬＣ ＰＷ Ｍ Ｍ Ｇ ９９５ 舵机 Ｍ Ａ Ｘ ２３２