應用 PLC 控制交流伺服驅動來精準定位教學探討
2017-5-16 來源：臺州職業技術學院 作者：范 忠
摘要：PLC 控制伺服驅動器來控制電機目前已廣泛應用于數控機床、機器人、輕功機械、紡織機械、醫療器械、自動化生產線、半導體生產等各種有精準調速、定位要求場合。如何教會高職學生掌握這門技術，文章對此做了一些說明。
關鍵詞：PLC；伺服驅動器；抗干擾
現在伺服電機系統融合了電機、計算機、電力電子、自動控制、精密機械、新材料和新科技等多種高新技術。伺服電機不同于一般的變頻調速電機，它除了實現調速功能以外，還要實現位置、加速度、轉矩的控制，而且動態特性也要常常高于一般變頻調速電機。數字化交流伺服系統是隨自動控制理論、計算機控制技術和電機控制技術的發展而出現的新型機電一體化系統，是通過計算機控制的開環或閉環系統，克服了傳統直流電機伺服系統缺點，獲得的十分廣泛的應用。為了讓高職學生能夠掌握這門技術，要求學生在單個學會 PLC 編程與伺服驅動控制基礎上從以下六個方面學習。
1.精準定位整體設計
位置控制的根本任務就是使執行機構對位置指令精準跟蹤，被控量一般是負載的空間位移，當給定量隨機變化時，系統能使被控量無誤地跟蹤并反饋給定量，給定量可能是角位移或直線位移。所以位置控制必然是一個反饋控制系統，組成位置控制回路。該精準定位系統的整體結構是由觸摸屏、可編程邏輯控制 PLC、交流伺服驅動器、交流伺服電機，滾珠絲桿工作臺構成一個閉環控制系統。以實現絲桿精密進給。在位置控制方式下，伺服驅動器接收 PLC 發出的位置指令信號脈沖方向，送入脈沖列形態，經電子齒輪分 / 倍頻后，在偏差可逆計數器中與反饋脈沖信號比較后形成偏差信號。反饋脈沖是由光電編碼器檢測到實際所產生的脈沖數，經四倍頻后產生的。位置偏差信號經位置環的復合前饋控制器調節后，形成速度指令信號。速度指令信號與速度反饋信號、位置檢測裝置相同比較后的偏差信號經速度環比例積分控制器調節后產生電流指令信號，在電流環中經矢量變化后，由 SPWM 輸出轉矩電流，控制交流伺服電機運行。位置控制精度由旋轉編碼器每轉產生脈沖數來控制，本系統采用的是增量式光電編碼器。
2.整個控制系統技術要求與指標
整個系統要求具有以下功能：手動操作、自動操作、斷電保護、可靠的故障診斷和字處理四項功能，技術指標是進給速度在 50mm/s~150mm/s，較高的定位控制精度 1μm。
3.電子齒輪比
與電子齒輪比設定相關的要素為：分辨率、螺距、電機與軸傳動比、移動負載位置數據的最小單位，也就是指令單位。電子齒輪比（N/M）= 編碼器最大分辨率乘軸傳動比乘以指令單位除以移動螺距，臺達伺服電機編碼器每轉輸出脈沖數均為 40000，4 倍頻后，最大分辨率為 40000*4=160000。例如，絲桿螺距 5mm，指令單位 1μm，直接傳動，則電子齒輪比=（160000*1μm*1）/5mm=32。電子齒輪比在伺服驅動器參數P1-44 設成 32，參數 P1-45 設為 1。
4. 限位開關電路設計
工作臺在絲桿運行時，必須有限位開關來保護兩端極限，控制其左限位、原點、有限位。電路采用 MOCH21A 芯片，這芯片由發光二極管和三極管構成，其原理是：PLC 通過采集 4 號引腳電壓是高電平還是低電平，這芯片 4 腳是集電極開路 OC門，需要上拉電阻 1000Ω，由 PLC 提供 24V 電源，當工作臺到達極限或者原點位置，PLC 采集是高電平 24V，否則 PLC 采集電壓為 0V。
5.差分電路設計
伺服電機的速度閉環控制，光電脈沖編碼器實時監檢測電動機轉子位置信息，其檢測精度直接影響對電機的控制精度。其原理是伺服驅動器與電動機同軸相連的光電編碼器將電機角位移量轉換成脈沖信號，轉軸每旋轉一周，脈沖發生器輸出一定的脈沖數，其輸出的脈沖頻率與轉速成正比，A 脈沖與 B 脈沖相位相差 90°，來判斷 A 脈沖超前滯后 B 脈沖來判斷轉動方向。Z 脈沖是發出一轉脈沖，可獲得零位參考位置。這脈沖信號經過驅動器傳給 PLC，經 PLC 內部高速計數器來統計編碼器發出脈沖個數實現定位，由于伺服驅動器輸出的 3 組脈沖 A 脈沖、B 脈沖、Z 脈沖為差分信號，A 脈沖、B脈沖用來知道轉速快慢和方向，Z 脈沖用來找原點?；?A、B、Z 信號都是差分信號，即為雙端輸入信號，而其 PLC 需要的輸入信號是單端輸入信號，必須通過差分信號處理電路，將雙端輸入轉換成單端輸出。差分處理電路選用 MAX485 來完成，MAX485 是用于 RS-422 與 RS-485 通信的低功耗收發器，可以實現的傳輸速率最高為 2.5Mbps，MAX485 芯片的內部包括：驅動器和接收器，RO 端為接收器的輸出端，DI 端為驅動器的輸入端，RE 端為接受使能端，DE 端為發送的使能端，芯片使用方便，連線簡單。MAX485 工作在半雙工狀態，所以當 DE 為邏輯 0 時，器件則處于接收狀態；而當 RE 為邏輯 1 時，器件處于發送狀態。A、B 兩端分別為接收和發送的差分信號端，若 A 引腳的電平比 B 引腳的電平低，則發送的數據為 0，而 A 引腳的電平比 B 引腳的電平高，發送的數據為 1。
6.光電隔離電路的總體設計
A、B、Z 信號輸出時，會受到外界干擾，會使 PLC 計數脈沖信號計數不準確，通過光電隔離電路的作用把干擾源與有用脈沖信號隔離出來，切斷干擾通道，使監控裝置與現場保持信號聯系，而不直接聯系，達到防止干擾作用。通過電、光、電這種轉換，利用“光”這種環節隔離，使輸入輸出在電氣上完全隔離這種方法，學生必須去學會應用，且去了解其它隔離方式，繼電器隔離、變壓器隔離以及隔離放大器等。因為精確定位系統對數據傳輸速度要求較高，該電路選擇高速光耦 6N137，6N137 是一款通用光電耦合器，包含一個砷化鎵紅外發光二極管，硅光電晶體管，光電耦合器能夠將電信號變成光信號再變成電信號，主要起到信號耦合，電的隔離。6N137 的 6 腳，因其是集電極開路輸出端，通常會接上一個上拉 5600Ω 電阻，電阻不能太小，如果電阻太小，6N137 耗電和電源沖擊都會跟著加大，使旁路電容無法吸收，整個模塊的電源因此受到干擾，甚至電線上會產生尖峰噪音。
7.結語
PLC 伺服控制系統實現精度定位的設計，能提高生產效率及很高運動控制精確度，能讓高職學生掌握好這門技術，通過 PLC、伺服系統、光電編碼器，實現位置精準定位，和學會采取一些必要抗干擾措施有一定意義。
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如果您有機床行業、企業相關新聞稿件發表，或進行資訊合作，歡迎聯系本網編輯部， 郵箱：skjcsc@vip.sina.com
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