鐘家振++張非凡++涂豪翔

摘 要：三相異步電機(jī)變頻調(diào)速可以獲得理想的調(diào)速性能，當(dāng)進(jìn)一步采用PLC、D/A轉(zhuǎn)換器、變頻器、三相異步電機(jī)及旋轉(zhuǎn)編碼器組成閉環(huán)控制系統(tǒng)將大大提高控制性能，可進(jìn)行PID控制，具有遠(yuǎn)程通信功能，閉環(huán)系統(tǒng)又能提高位置控制的定位精度，本文介紹了采用PLC來實(shí)現(xiàn)傳送帶精確定位閉環(huán)控制的方法。

關(guān)鍵詞：變頻調(diào)速 選轉(zhuǎn)編碼器 定位精度 閉環(huán)控制

中圖分類號(hào)：G64 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2014）01（b）-0029-01

在自動(dòng)化生產(chǎn)線控制過程中，產(chǎn)品的加工、分揀、入庫等工序中，經(jīng)常要求控制系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)快速精確定位，常用的控制有步進(jìn)電機(jī)位置控制、伺服電機(jī)閉環(huán)控制以及異步電機(jī)變頻調(diào)速閉環(huán)控制等多種方式，本系統(tǒng)采用了PLC為核心控制設(shè)備，實(shí)現(xiàn)精確定位閉環(huán)控制的方法。

1 系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)及控制過程分析

控制系統(tǒng)由PLC、D/A轉(zhuǎn)換器、變頻器、三相異步電機(jī)及旋轉(zhuǎn)編碼器組成。本系統(tǒng)選用了三菱系列的FX2N-32MR型PLC、FX2N-2DA模擬量輸出模塊以及FR-E740型變頻器；可帶動(dòng)0.75 kW及以下的異步電動(dòng)機(jī)，選用增量式通用型旋轉(zhuǎn)編碼器。

由PLC向轉(zhuǎn)換器D/A通道提供電機(jī)運(yùn)行速度相對(duì)應(yīng)的數(shù)字量信號(hào)，并發(fā)出啟動(dòng)轉(zhuǎn)換命令；轉(zhuǎn)換器將速度數(shù)字量信號(hào)轉(zhuǎn)換為模擬電壓或電流信號(hào)，并輸出給變頻器；變頻器根據(jù)輸入信號(hào)的大小將50 Hz的工頻電源轉(zhuǎn)換為相應(yīng)頻率的交流電向異步電動(dòng)機(jī)供電；旋轉(zhuǎn)編碼器直接連接在電機(jī)或傳送帶的主動(dòng)軸上將電機(jī)轉(zhuǎn)過的弧度轉(zhuǎn)換成脈沖，反饋回PLC，PLC通過脈沖數(shù)量計(jì)算出傳送帶的運(yùn)送距離，以實(shí)現(xiàn)精確定位。系統(tǒng)機(jī)構(gòu)見圖1。

2 PLC向轉(zhuǎn)換器的編程控制

D/A轉(zhuǎn)換器可選用FX2N-2DA模擬量輸出模塊，它是具有兩路D/A通道，最大分辨率為8位的模擬量I/O模塊，模擬量輸出方式均有電壓和電流兩種，可供用戶選擇；在出廠時(shí)輸入通道的數(shù)字量均為0～250，模擬量輸出為電壓0～10 V，如果模擬量改用電流，就需要重新調(diào)整偏置和增益。模塊內(nèi)部都有由32個(gè)16位二進(jìn)制的數(shù)據(jù)寄存器構(gòu)成的緩沖區(qū)，作為與PLC進(jìn)行數(shù)據(jù)通信的區(qū)域，PLC可以通過特殊功能模塊指令向轉(zhuǎn)換器發(fā)送控制命令，對(duì)于FX2N-2DA模塊，可先由寫（TO）指令，向的模塊0#緩沖區(qū)寫入兩位十六進(jìn)制來控制通道的輸出模式，寫入0為電壓輸出（-10 ～+10 V），寫入1為電流輸出（+4～+20 mA）；并向1#和2#緩沖區(qū)分別寫入欲轉(zhuǎn)換的數(shù)字信號(hào)；當(dāng)向21#緩沖區(qū)的b1、b0位寫入0、1后，便可通過23#和24#緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)來調(diào)整增益和零點(diǎn)。同時(shí)模塊上均設(shè)置了零點(diǎn)和增益的調(diào)整開關(guān)，給使用者提供了調(diào)整的方便。

3 變頻器的參數(shù)設(shè)置與輸出頻率的控制

變頻器根據(jù)FX2N-2DA模擬量輸出模塊提供的模擬電壓或電流信號(hào)調(diào)整輸出三相交流電源的頻率，以達(dá)到控制電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速目的；變頻器與PLC之間也可通過 FX2N-485-BD或FX2N-485ADP實(shí)現(xiàn)通信，或直接由STF、SFR外部子控制，使用時(shí)不僅要電路的連接無誤，同時(shí)還需對(duì)其參數(shù)正確設(shè)置，以三菱E500主流系列產(chǎn)品E450型變頻器為例；運(yùn)行模式選擇（Pr.79）設(shè)置為2，外部運(yùn)行模式；模擬量輸入選擇（Pr.73）設(shè)置為0或1，輸入電壓0～10 V或0～5 V，必須與功能模塊D/A通道的輸出相匹配；直流制動(dòng)動(dòng)作時(shí)間和頻率（Pr.10、11）分別可以設(shè)置為0.5 s、5 Hz。

4 旋轉(zhuǎn)編碼器反饋信號(hào)與位移的分析

旋轉(zhuǎn)編碼器是連接在電機(jī)轉(zhuǎn)軸或傳送帶主動(dòng)軸上，通過光電轉(zhuǎn)換，將軸上機(jī)械、幾何位移量轉(zhuǎn)換成脈沖信號(hào)，可以實(shí)現(xiàn)速度和位移的檢測(cè)。一般依據(jù)旋轉(zhuǎn)編碼器輸出的脈沖方式不同，可以分為增量式、絕對(duì)式及復(fù)合式。本系統(tǒng)采用增量式編碼器，具有A、B兩組相差900，當(dāng)A相超前B相時(shí)為正轉(zhuǎn)，當(dāng)B相超前A相時(shí)則為反轉(zhuǎn)，將A、B兩相脈沖直接連接到PLC的高速計(jì)數(shù)器輸入端，可以計(jì)算每?jī)擅}沖之間的移動(dòng)距離，即脈沖當(dāng)量。如旋轉(zhuǎn)編碼器的分辨率為N=500線，傳送帶主動(dòng)軸的直徑為D=45 mm，則電機(jī)每轉(zhuǎn)一周，兩脈沖之間的移動(dòng)距離，即脈沖當(dāng)量μ=（п·D）/N=3.14×45/500=0.282 mm，若當(dāng)PLC測(cè)得脈沖數(shù)為M，則可推算出傳送帶上工件的移動(dòng)距離L=μ·M。

5 高速計(jì)數(shù)器的選用與編程

由于旋轉(zhuǎn)編碼器的分辨率越高則輸出脈沖的頻率也就越高，當(dāng)超過PLC機(jī)內(nèi)掃描頻率時(shí)，必須采用PLC高速計(jì)數(shù)器，以中斷方式進(jìn)行計(jì)數(shù)；FX2N型PLC內(nèi)置有21點(diǎn)高速計(jì)數(shù)器C235-C255，每個(gè)高速計(jì)數(shù)器都規(guī)定了其功能和使用的輸入點(diǎn)，其中C235-C245的11個(gè)功能為一相1計(jì)數(shù)輸入，即一個(gè)計(jì)數(shù)器占用一個(gè)高速計(jì)數(shù)輸入點(diǎn)，可由特殊輔助繼電器M8ΔΔΔ的狀態(tài)決定是增序或減序計(jì)數(shù)，C246-C250的5個(gè)功能為一相2計(jì)數(shù)輸入，即一個(gè)計(jì)數(shù)器占用2個(gè)高速計(jì)數(shù)輸入點(diǎn)，一個(gè)增計(jì)數(shù)輸入，一個(gè)減計(jì)數(shù)輸入；C251-C255的5個(gè)功能為2相2計(jì)數(shù)輸入，即一個(gè)計(jì)數(shù)器占用2個(gè)高速計(jì)數(shù)輸入點(diǎn)，一個(gè)A相計(jì)數(shù)輸入，一個(gè)B相計(jì)數(shù)輸入；當(dāng)A相超前B相時(shí)增計(jì)數(shù)，當(dāng)B相超前A相時(shí)則減計(jì)數(shù)。本系統(tǒng)采用C251高速計(jì)數(shù)，由PLC的X0和X1分別采樣編碼器的A、B兩相脈沖。

6 系統(tǒng)運(yùn)行的調(diào)試

如工件在傳送帶上要求移動(dòng)350.5 mm，由上述理論上的脈沖當(dāng)量計(jì)算，則編碼器約應(yīng)發(fā)出1243個(gè)脈沖，但在實(shí)際應(yīng)用時(shí)會(huì)有各種的誤差，如傳送帶主軸的測(cè)量誤差，傳送帶的張度及安裝偏差等，所以必須采用現(xiàn)場(chǎng)脈沖當(dāng)量測(cè)試的方法對(duì)理論計(jì)算予以修正，可多次實(shí)測(cè)工件移動(dòng)距離和高速計(jì)數(shù)脈沖數(shù)，計(jì)數(shù)出實(shí)測(cè)脈沖當(dāng)量，求取均值。

在現(xiàn)場(chǎng)安裝調(diào)試過程中，需仔細(xì)調(diào)整電動(dòng)機(jī)與主動(dòng)軸之間聯(lián)動(dòng)軸的同心度，同時(shí)調(diào)節(jié)張緊度，以電機(jī)輸入頻率為1 Hz時(shí)可啟動(dòng)為宜，兩邊應(yīng)平衡調(diào)節(jié)，避免皮帶運(yùn)行跑偏。

7 結(jié)語

本系統(tǒng)應(yīng)用PLC通過變頻器對(duì)三相異步電機(jī)實(shí)現(xiàn)變頻調(diào)速，并采用旋轉(zhuǎn)編碼器將旋轉(zhuǎn)角度和傳送距離對(duì)PLC進(jìn)行反饋，從而實(shí)現(xiàn)了位移的精確定位。

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