范忠

（臺(tái)州職業(yè)技術(shù)學(xué)院，浙江臺(tái)州 318000）

應(yīng)用PLC控制交流伺服驅(qū)動(dòng)來(lái)精準(zhǔn)定位教學(xué)探討

范忠

（臺(tái)州職業(yè)技術(shù)學(xué)院，浙江臺(tái)州 318000）

PLC 控制伺服驅(qū)動(dòng)器來(lái)控制電機(jī)目前已廣泛應(yīng)用于數(shù)控機(jī)床、機(jī)器人、輕功機(jī)械、紡織機(jī)械、醫(yī)療器械、自動(dòng)化生產(chǎn)線、半導(dǎo)體生產(chǎn)等各種有精準(zhǔn)調(diào)速、定位要求場(chǎng)合。如何教會(huì)高職學(xué)生掌握這門(mén)技術(shù)，文章對(duì)此做了一些說(shuō)明。

PLC；伺服驅(qū)動(dòng)器；抗干擾

現(xiàn)在伺服電機(jī)系統(tǒng)融合了電機(jī)、計(jì)算機(jī)、電力電子、自動(dòng)控制、精密機(jī)械、新材料和新科技等多種高新技術(shù)。伺服電機(jī)不同于一般的變頻調(diào)速電機(jī)，它除了實(shí)現(xiàn)調(diào)速功能以外，還要實(shí)現(xiàn)位置、加速度、轉(zhuǎn)矩的控制，而且動(dòng)態(tài)特性也要常常高于一般變頻調(diào)速電機(jī)。數(shù)字化交流伺服系統(tǒng)是隨自動(dòng)控制理論、計(jì)算機(jī)控制技術(shù)和電機(jī)控制技術(shù)的發(fā)展而出現(xiàn)的新型機(jī)電一體化系統(tǒng)，是通過(guò)計(jì)算機(jī)控制的開(kāi)環(huán)或閉環(huán)系統(tǒng)，克服了傳統(tǒng)直流電機(jī)伺服系統(tǒng)缺點(diǎn)，獲得的十分廣泛的應(yīng)用。為了讓高職學(xué)生能夠掌握這門(mén)技術(shù)，要求學(xué)生在單個(gè)學(xué)會(huì) PLC 編程與伺服驅(qū)動(dòng)控制基礎(chǔ)上從以下六個(gè)方面學(xué)習(xí)。

1 精準(zhǔn)定位整體設(shè)計(jì)

位置控制的根本任務(wù)就是使執(zhí)行機(jī)構(gòu)對(duì)位置指令精準(zhǔn)跟蹤，被控量一般是負(fù)載的空間位移，當(dāng)給定量隨機(jī)變化時(shí)，系統(tǒng)能使被控量無(wú)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(gè)反饋控制系統(tǒng)，組成位置控制回路。該精準(zhǔn)定位系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)是由觸摸屏、可編程邏輯控制 PLC、交流伺服驅(qū)動(dòng)器、交流伺服電機(jī)，滾珠絲桿工作臺(tái)構(gòu)成一個(gè)閉環(huán)控制系統(tǒng)。以實(shí)現(xiàn)絲桿精密進(jìn)給。在位置控制方式下，伺服驅(qū)動(dòng)器接收 PLC 發(fā)出的位置指令信號(hào)脈沖方向，送入脈沖列形態(tài)，經(jīng)電子齒輪分/倍頻后，在偏差可逆計(jì)數(shù)器中與反饋脈沖信號(hào)比較后形成偏差信號(hào)。反饋脈沖是由光電編碼器檢測(cè)到實(shí)際所產(chǎn)生的脈沖數(shù)，經(jīng)四倍頻后產(chǎn)生的。位置偏差信號(hào)經(jīng)位置環(huán)的復(fù)合前饋控制器調(diào)節(jié)后，形成速度指令信號(hào)。速度指令信號(hào)與速度反饋信號(hào)、位置檢測(cè)裝置相同比較后的偏差信號(hào)經(jīng)速度環(huán)比例積分控制器調(diào)節(jié)后產(chǎn)生電流指令信號(hào)，在電流環(huán)中經(jīng)矢量變化后，由 SPWM 輸出轉(zhuǎn)矩電流，控制交流伺服電機(jī)運(yùn)行。位置控制精度由旋轉(zhuǎn)編碼器每轉(zhuǎn)產(chǎn)生脈沖數(shù)來(lái)控制，本系統(tǒng)采用的是增量式光電編碼器。

2 整個(gè)控制系統(tǒng)技術(shù)要求與指標(biāo)

整個(gè)系統(tǒng)要求具有以下功能：手動(dòng)操作、自動(dòng)操作、斷電保護(hù)、可靠的故障診斷和字處理四項(xiàng)功能，技術(shù)指標(biāo)是進(jìn)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(shè)定相關(guān)的要素為：分辨率、螺距、電機(jī)與軸傳動(dòng)比、移動(dòng)負(fù)載位置數(shù)據(jù)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(dòng)比乘以指令單位除以移動(dòng)螺距，臺(tái)達(dá)伺服電機(jī)編碼器每轉(zhuǎn)輸出脈沖數(shù)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(dòng)，則電子齒輪比=（160000*1μm*1）/5mm=32。電子齒輪比在伺服驅(qū)動(dòng)器參數(shù)P1-44 設(shè)成 32，參數(shù) P1-45 設(shè)為 1。

4 限位開(kāi)關(guān)電路設(shè)計(jì)

工作臺(tái)在絲桿運(yùn)行時(shí)，必須有限位開(kāi)關(guān)來(lái)保護(hù)兩端極限，控制其左限位、原點(diǎn)、有限位。電路采用 MOCH21A 芯片，這芯片由發(fā)光二極管和三極管構(gòu)成，其原理是：PLC 通過(guò)采集 4 號(hào)引腳電壓是高電平還是低電平，這芯片 4 腳是集電極開(kāi)路 OC門(mén)，需要上拉電阻 1000Ω，由 PLC 提供 24V 電源，當(dāng)工作臺(tái)到達(dá)極限或者原點(diǎn)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(shè)計(jì)

伺服電機(jī)的速度閉環(huán)控制，光電脈沖編碼器實(shí)時(shí)監(jiān)檢測(cè)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子位置信息，其檢測(cè)精度直接影響對(duì)電機(jī)的控制精度。其原理是伺服驅(qū)動(dòng)器與電動(dòng)機(jī)同軸相連的光電編碼器將電機(jī)角位移量轉(zhuǎn)換成脈沖信號(hào)，轉(zhuǎn)軸每旋轉(zhuǎn)一周，脈沖發(fā)生器輸出一定的脈沖數(shù)，其輸出的脈沖頻率與轉(zhuǎn)速成正比，A 脈沖與 B 脈沖相位相差 90°，來(lái)判斷 A 脈沖超前滯后 B 脈沖來(lái)判斷轉(zhuǎn)動(dòng)方向。Z 脈沖是發(fā)出一轉(zhuǎn)脈沖，可獲得零位參考位置。這脈沖信號(hào)經(jīng)過(guò)驅(qū)動(dòng)器傳給 PLC，經(jīng) PLC 內(nèi)部高速計(jì)數(shù)器來(lái)統(tǒng)計(jì)編碼器發(fā)出脈沖個(gè)數(shù)實(shí)現(xiàn)定位，由于伺服驅(qū)動(dòng)器輸出的 3 組脈沖 A 脈沖、B 脈沖、Z 脈沖為差分信號(hào)，A 脈沖、B脈沖用來(lái)知道轉(zhuǎn)速快慢和方向，Z 脈沖用來(lái)找原點(diǎn)?；?A、B、Z 信號(hào)都是差分信號(hào)，即為雙端輸入信號(hào)，而其 PLC 需要的輸入信號(hào)是單端輸入信號(hào)，必須通過(guò)差分信號(hào)處理電路，將雙端輸入轉(zhuǎn)換成單端輸出。差分處理電路選用 MAX485 來(lái)完成，MAX485 是用于 RS-422 與 RS-485 通信的低功耗收發(fā)器，可以實(shí)現(xiàn)的傳輸速率最高為 2.5Mbps，MAX485 芯片的內(nèi)部包括：驅(qū)動(dòng)器和接收器，RO 端為接收器的輸出端，DI端為驅(qū)動(dòng)器的輸入端，RE 端為接受使能端，DE 端為發(fā)送的使能端，芯片使用方便，連線簡(jiǎn)單。

MAX485 工作在半雙工狀態(tài)，所以當(dāng) DE 為邏輯 0 時(shí)，器件則處于接收狀態(tài)；而當(dāng) RE 為邏輯 1 時(shí)，器件處于發(fā)送狀態(tài)。A、B 兩端分別為接收和發(fā)送的差分信號(hào)端，若 A 引腳的電平比 B 引腳的電平低，則發(fā)送的數(shù)據(jù)為 0，而 A 引腳的電平比 B 引腳的電平高，發(fā)送的數(shù)據(jù)為 1。

6 光電隔離電路的總體設(shè)計(jì)

A、B、Z 信號(hào)輸出時(shí)，會(huì)受到外界干擾，會(huì)使 PLC 計(jì)數(shù)脈沖信號(hào)計(jì)數(shù)不準(zhǔn)確，通過(guò)光電隔離電路的作用把干擾源與有用脈沖信號(hào)隔離出來(lái)，切斷干擾通道，使監(jiān)控裝置與現(xiàn)場(chǎng)保持信號(hào)聯(lián)系，而不直接聯(lián)系，達(dá)到防止干擾作用。通過(guò)電、光、電這種轉(zhuǎn)換，利用“光”這種環(huán)節(jié)隔離，使輸入輸出在電氣上完全隔離這種方法，學(xué)生必須去學(xué)會(huì)應(yīng)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?yàn)榫_定位系統(tǒng)對(duì)數(shù)據(jù)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(gè)砷化鎵紅外發(fā)光二極管，硅光電晶體管，光電耦合器能夠?qū)㈦娦盘?hào)變成光信號(hào)再變成電信號(hào)，主要起到信號(hào)耦合，電的隔離。6N137 的 6 腳，因其是集電極開(kāi)路輸出端，通常會(huì)接上一個(gè)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(huì)跟著加大，使旁路電容無(wú)法吸收，整個(gè)模塊的電源因此受到干擾，甚至電線上會(huì)產(chǎn)生尖峰噪音。

7 結(jié)語(yǔ)

PLC 伺服控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)精度定位的設(shè)計(jì)，能提高生產(chǎn)效率及很高運(yùn)動(dòng)控制精確度，能讓高職學(xué)生掌握好這門(mén)技術(shù)，通過(guò) PLC、伺服系統(tǒng)、光電編碼器，實(shí)現(xiàn)位置精準(zhǔn)定位，和學(xué)會(huì)采取一些必要抗干擾措施有一定意義。

［1］劉佳佳.PLC 伺服控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)定位的設(shè)計(jì)與研發(fā)［D］.南京：南京師范大學(xué)，2013.

［2］胡佳麗，等.S7-200PLC 在伺服電機(jī)位置控制中的應(yīng)用［J］.自動(dòng)化儀表，2009，（12）.

Discussion on PLC Control AC Servo Drive in the Application of Precise Positioning Teaching

FAN Zhong
（Taizhou V ocational and Technical College，Taizhou，Zhejiang 318000，China）

PLC control AC servo drive has been widely applied in the precise speed and position control of CNC machine tools，robots，light machinery，textile machinery，medical equipment, automatic production line，semiconductor production and so on.This paper explains how to teach vocational students to master this technology.

PLC；servo driver；anti-jamming

TP273

A

2095-980X（2016）12-0127-02

2016- 11-07

范忠（1971 -），男，湖南冷水江人，碩士，講師，主要研究方向：電子技術(shù)與自動(dòng)化。