郭亮+秦永晉

摘 要：自可編程控制器應(yīng)用以來，其在工業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用越來越廣泛。因?yàn)榭删幊炭刂破骶哂幸欢ǖ目煽啃阅芘c安全性能，能夠?qū)﹄姍C(jī)進(jìn)行有效控制，從而確保電機(jī)在運(yùn)行過程中不會(huì)受到干擾，使其平穩(wěn)運(yùn)行。隨著可編程控制器的應(yīng)用范圍不斷擴(kuò)大，可編程控制器中伺服電機(jī)的應(yīng)用設(shè)計(jì)得到了一定的發(fā)展。文章主要對(duì)可編程控制器與伺服電機(jī)進(jìn)行分析，對(duì)可編程控制器控制應(yīng)用進(jìn)行分析，并對(duì)其應(yīng)用設(shè)計(jì)進(jìn)行探討，為相關(guān)PLC設(shè)計(jì)提供參考。

關(guān)鍵詞：應(yīng)用設(shè)計(jì)；可編程控制器；伺服電機(jī)

中圖分類號(hào)：TN02 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2095-2945（2017）24-0110-02

近年來，由于科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，伺服技術(shù)逐漸趨于成熟，已經(jīng)逐漸應(yīng)用到很多自動(dòng)控制和智能控制領(lǐng)域中，是當(dāng)前自動(dòng)化設(shè)備等現(xiàn)代裝備中不可忽視的一種技術(shù)。與一般的變頻調(diào)速電機(jī)相比，伺服電機(jī)能夠?qū)λ俣冗M(jìn)行精確的控制，對(duì)其角度位置進(jìn)行精確掌控。將PLC技術(shù)應(yīng)用于伺服電機(jī)控制系統(tǒng)中，能夠?qū)λ欧姍C(jī)的穩(wěn)定性能、可靠性能等起到一定的促進(jìn)作用。隨著伺服電機(jī)控制系統(tǒng)的不斷研究與應(yīng)用，其整體性能的提高是必然趨勢(shì)。因此，對(duì)PLC控制伺服電機(jī)應(yīng)用設(shè)計(jì)進(jìn)行研究是很有必要的，對(duì)伺服電機(jī)控制系統(tǒng)的發(fā)展具有一定的重要意義。

1 PLC與伺服電機(jī)

PLC主要是通過數(shù)字運(yùn)算操作進(jìn)行控制的一種裝置，被稱之為可編程控制器，主要是用來應(yīng)對(duì)工業(yè)環(huán)境而研發(fā)出來的一種控制裝置。PLC包含了計(jì)算機(jī)技術(shù)、通信技術(shù)和自動(dòng)控制技術(shù)，可以通過可編程存儲(chǔ)器進(jìn)行信息存儲(chǔ)，核心部分是微處理器。將可編程控制器應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)中，能夠?qū)ιa(chǎn)過程進(jìn)行精確控制。該控制器可以通過開關(guān)量與模擬量的輸出與輸入功能達(dá)到控制生產(chǎn)過程的目的。可編程控制器主要由存儲(chǔ)器、微處理器、編程器、輸入輸出部件等組成。其中存儲(chǔ)器分為用戶存儲(chǔ)器與系統(tǒng)存儲(chǔ)器，用戶可以通過用戶存儲(chǔ)器進(jìn)行編寫程序的存儲(chǔ)，系統(tǒng)存儲(chǔ)器可以存儲(chǔ)系統(tǒng)程序。微處理器屬于可編程控制器的核心組成部分，能夠通過微處理器進(jìn)行工作，比如PLC的水平與運(yùn)行速度，都和微處理器的運(yùn)行質(zhì)量有著密切的聯(lián)系。編程器可以通過微處理器與接口進(jìn)行通信，具備調(diào)入用戶程序，寫入程序、檢查程序等功能，可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)可編程控制器的工作狀況。輸入輸出部件能夠?qū)崿F(xiàn)與外界之間的信息傳遞與交換。通過微處理器與輸入部件進(jìn)行信息交換與傳遞，從而使可編程控制器能夠穩(wěn)定運(yùn)行。

傳統(tǒng)電機(jī)控制中，電子部件體積與數(shù)量都十分龐大，其中需要用到的觸點(diǎn)、線路、設(shè)備等都相對(duì)復(fù)雜，穩(wěn)定性、可靠性較低。而可編程控制器對(duì)觸點(diǎn)與布線的應(yīng)用相對(duì)較少，具有一定的抗干擾能力，能夠降低故障發(fā)生頻率，使電機(jī)的穩(wěn)定性能與可靠性能得到顯著提升。因此，與傳統(tǒng)電機(jī)相比，可編程控制器更有發(fā)展?jié)摿?，值得?yīng)用與推廣。

伺服電機(jī)有交流電機(jī)與直流電機(jī)兩大類，該電機(jī)能夠?qū)?shù)字脈沖信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)換，將其轉(zhuǎn)換成角速度或者機(jī)械角位移，屬于一種轉(zhuǎn)換元件。無論是停止、運(yùn)行，還是其他運(yùn)行方式，伺服電機(jī)都可以通過少數(shù)脈沖進(jìn)行控制，且控制精度相對(duì)較高，因此伺服電機(jī)的控制性能很好，能夠滿足生產(chǎn)制造工業(yè)對(duì)生產(chǎn)過程控制的需求。當(dāng)脈沖電源供電之后，伺服電機(jī)便開始進(jìn)入運(yùn)行狀態(tài)，運(yùn)行過程中輸入脈沖與轉(zhuǎn)子步數(shù)之間存在正比關(guān)系。因?yàn)樗欧姍C(jī)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)與控制性能等都很好，所以在進(jìn)行旋轉(zhuǎn)方向轉(zhuǎn)變時(shí)，可以通過改變工作方向信號(hào)或者輸入脈沖順序?qū)崿F(xiàn)。

2 PLC控制應(yīng)用分析

可編程控制器的控制應(yīng)用主要有過程控制、模擬量控制、開關(guān)量控制、運(yùn)動(dòng)控制等。過程控制主要是對(duì)模擬量進(jìn)行控制，比如說流量、溫度、壓力等模擬量。過程控制需要通過計(jì)算機(jī)技術(shù)與編寫控制算法程序進(jìn)行閉環(huán)控制，其在鍋爐控制和化工控制等方面的應(yīng)用十分廣泛，能夠起到很大的作用。模擬量控制主要是對(duì)模擬量進(jìn)行監(jiān)控，通過模擬量與數(shù)字量模塊配置之間的轉(zhuǎn)換達(dá)到控制模擬量的目的。開關(guān)量控制屬于邏輯控制，能夠使可編程控制器的控制應(yīng)用向更高層次發(fā)展。開關(guān)量控制主要應(yīng)用于多集群流水線或者單臺(tái)流水線控制，對(duì)生產(chǎn)效率的穩(wěn)定性能與工作效率都能起到一定的推動(dòng)作用。

運(yùn)動(dòng)控制主要是對(duì)圓周運(yùn)動(dòng)或者直線運(yùn)動(dòng)進(jìn)行控制。由于近年來對(duì)運(yùn)動(dòng)控制的研究相對(duì)較多，所以已經(jīng)擁有了一套比較完備的運(yùn)動(dòng)控制模塊，且在各領(lǐng)域的應(yīng)用十分廣泛。其中三相異步電動(dòng)機(jī)與雙速電機(jī)的啟動(dòng)都可以通過PLC控制運(yùn)動(dòng)來實(shí)現(xiàn)。三相異步電動(dòng)機(jī)主要是知識(shí)正常運(yùn)行狀態(tài)下，電動(dòng)機(jī)的額定電壓與電源線的電壓是一致的，繞組連接方式屬于三角形連接。電子定子繞組可以通過星形連接起來，當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)速達(dá)到某一閾值時(shí)，定子繞組方式就會(huì)轉(zhuǎn)變成三角形方式，也就是所謂的星形-三角形降壓?jiǎn)?dòng)。在實(shí)際工業(yè)生產(chǎn)制造中，機(jī)械設(shè)備的輸出速度并不是單一出現(xiàn)的，需要不同的輸出速度來滿足生產(chǎn)制造的特定要求。而在單速電動(dòng)機(jī)中應(yīng)用機(jī)械變速系統(tǒng)配置，能夠?qū)λ俣冗M(jìn)行轉(zhuǎn)變，從而達(dá)到輸出速度不同的特定需求。當(dāng)機(jī)械尺寸在應(yīng)用過程中受到限制或者速度需要連續(xù)可調(diào)時(shí)，可以將多速交流電動(dòng)機(jī)應(yīng)用其中。

3 PLC應(yīng)用設(shè)計(jì)探討

3.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案探討

對(duì)伺服電機(jī)和可編程控制器系統(tǒng)特點(diǎn)進(jìn)行分析可知，系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案可以分為四個(gè)部分。（1）電源部分。系統(tǒng)電源運(yùn)行可以選擇AC220V進(jìn)行電力支持，電源開關(guān)可以選擇DC24V，從而對(duì)伺服控制信號(hào)與可編程控制器控制信號(hào)等進(jìn)行供電。（2）控制部分?？刂骗h(huán)節(jié)是整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行的關(guān)鍵部分，在進(jìn)行控制部分設(shè)計(jì)時(shí)需要以可編程控制器為核心，對(duì)設(shè)備、用戶之間的信號(hào)傳遞方式進(jìn)行設(shè)計(jì)，便于用戶通過信號(hào)進(jìn)行信息傳遞。然后以事先安排好的程序邏輯向伺服驅(qū)動(dòng)器發(fā)送控制信號(hào)，從而達(dá)到對(duì)伺服電機(jī)控制的目的。（3）設(shè)備精度部分。在進(jìn)行設(shè)備精度設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)該對(duì)最大脈沖頻率進(jìn)行考慮，確保伺服電機(jī)能夠?qū)ψ畲竺}沖頻率進(jìn)行接受，不會(huì)對(duì)編碼器的精度和伺服電機(jī)的響應(yīng)性能產(chǎn)生影響。（4）執(zhí)行部分。執(zhí)行部分主要是通過執(zhí)行電機(jī)拖動(dòng)設(shè)備工作。在進(jìn)行執(zhí)行部分設(shè)計(jì)時(shí)，半閉環(huán)控制可以通過編碼器反饋信息給驅(qū)動(dòng)器來實(shí)現(xiàn)，也可以在計(jì)息終端執(zhí)行機(jī)構(gòu)上設(shè)計(jì)反饋部件比如編碼器或者光柵尺等，從而與PLC進(jìn)行信息反饋，達(dá)到全閉環(huán)控制。endprint

3.2 系統(tǒng)細(xì)節(jié)處理探討

系統(tǒng)細(xì)節(jié)處理主要是對(duì)伺服電機(jī)與可編程控制器進(jìn)行細(xì)節(jié)設(shè)計(jì)。（1）伺服電機(jī)。伺服電機(jī)的主要任務(wù)進(jìn)行能量轉(zhuǎn)換，所以需要對(duì)其結(jié)構(gòu)進(jìn)行簡(jiǎn)單設(shè)計(jì)，確保伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)換效率能夠達(dá)到應(yīng)用要求。伺服電機(jī)在控制系統(tǒng)中主要是起到執(zhí)行作用，可以通過已經(jīng)設(shè)置好的特定指令進(jìn)行信息的轉(zhuǎn)換與控制，從而對(duì)伺服電機(jī)的運(yùn)行速度與運(yùn)行方向等進(jìn)行改變。在進(jìn)行伺服電機(jī)設(shè)計(jì)時(shí)，需要對(duì)其有效與便捷等因素進(jìn)行考慮，選取符合要求的伺服系統(tǒng)。比如MINSA A系列交流伺服系統(tǒng)就可以作為伺服系統(tǒng)，其內(nèi)部DSP有32位。控制方式方面可以設(shè)計(jì)成IC-BTPWM，該控制方式占用的體積相對(duì)較小，擁有的響應(yīng)速度較快，已經(jīng)應(yīng)用在很多領(lǐng)域，比如數(shù)控領(lǐng)域、機(jī)械領(lǐng)域、紡織領(lǐng)域等。（2）可編程控制器。在進(jìn)行可編程控制器尺寸大小設(shè)計(jì)時(shí)，可以從系統(tǒng)設(shè)計(jì)的使用性能與美觀效果等方面考慮。比如可以選擇松下FPO系列可編程控制器作為應(yīng)用設(shè)計(jì)，該編程控制器的尺寸相對(duì)較少，安裝時(shí)并不需要占用太大的面積，可以將其安裝在控制面板上或者一些小的機(jī)械設(shè)備上。隨著可編程控制器研究的不斷深入，可編程控制器的兼容性問題越來越突出。相關(guān)設(shè)計(jì)人員在進(jìn)行可編程控制器設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)該對(duì)其兼容性問題進(jìn)行考慮，可以通過單排觸頭或者單元表面控制器對(duì)擴(kuò)展單元進(jìn)行轉(zhuǎn)變，將其設(shè)計(jì)成層疊系統(tǒng)。此設(shè)計(jì)方法并不需要應(yīng)用到壁板或者特殊擴(kuò)展電纜。

3.3 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)探討

控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)主要包括位置控制設(shè)計(jì)、速度控制設(shè)計(jì)、精度控制設(shè)計(jì)、增益控制等方面。（1）位置控制。位置控制設(shè)計(jì)主要是對(duì)位置指令進(jìn)行追蹤，對(duì)負(fù)載空間位移進(jìn)行控制、觀察，然后做出調(diào)整。而在信息控制過程中，需要通過反饋控制系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)位置指令信號(hào)傳遞，利用電子齒輪對(duì)其進(jìn)行分頻處理，對(duì)脈沖進(jìn)行調(diào)整。所以在設(shè)計(jì)位置控制時(shí)，需要對(duì)反饋控制系統(tǒng)、電子齒輪、編碼器等設(shè)備進(jìn)行考慮，確保應(yīng)用設(shè)計(jì)能夠滿足對(duì)位置的控制要求。（2）速度控制。速度控制主要是對(duì)速度進(jìn)行改變。速度控制主要是通過反饋控制系統(tǒng)對(duì)指令信號(hào)進(jìn)行傳遞，然后對(duì)信號(hào)進(jìn)行模擬處理，從而對(duì)伺服電機(jī)速度進(jìn)行控制。（3）精度控制。在進(jìn)行精度控制設(shè)計(jì)時(shí)，可以選擇增加通信控制，從而使伺服驅(qū)動(dòng)能夠?qū)Πl(fā)送指令做出正確相應(yīng)，達(dá)到對(duì)系統(tǒng)精確控制的目的。（4）增益控制。增益控制對(duì)伺服電機(jī)的正常運(yùn)行具有一定的重要意義，當(dāng)前對(duì)增益的控制可以通過手動(dòng)調(diào)整或者自動(dòng)調(diào)整來實(shí)現(xiàn)。在進(jìn)行自動(dòng)調(diào)整設(shè)計(jì)時(shí)，可以將負(fù)載慣量與平時(shí)關(guān)量之間比值設(shè)計(jì)在三倍到二十倍之間，并對(duì)機(jī)械固有頻率進(jìn)行設(shè)計(jì)，防止機(jī)械頻率過低對(duì)伺服系統(tǒng)特性造成影響。

4 結(jié)束語

綜上可知，由于伺服電機(jī)具備一定的控制精度，所以其在各領(lǐng)域中的應(yīng)用逐漸廣泛。而將可編程控制器應(yīng)用于伺服電機(jī)系統(tǒng)中，能夠使整個(gè)控制系統(tǒng)的性能得到提升。因此，相關(guān)設(shè)計(jì)人員應(yīng)加強(qiáng)PLC在伺服電機(jī)中的應(yīng)用設(shè)計(jì)研究。

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