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        基于PLC控制的伺服電機(jī)智能調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)

        2018-06-28 09:14:30孫彤
        中國(guó)設(shè)備工程 2018年12期
        關(guān)鍵詞:人機(jī)界面伺服電機(jī)指令

        孫彤

        (沈陽汽車工業(yè)學(xué)院電氣工程系,遼寧 沈陽 110015)

        PLC控制是指一種專業(yè)的電子裝置控制,主要是在工業(yè)環(huán)境下運(yùn)行的數(shù)字運(yùn)算操作系統(tǒng),采用可以編程的存儲(chǔ)器,進(jìn)而運(yùn)算各種操作的指令,還能通過數(shù)字的輸入和輸出來控制各種機(jī)械運(yùn)作。本次設(shè)計(jì)基于PLC控制的伺服電機(jī)智能調(diào)速系統(tǒng),對(duì)基于PLC的伺服電機(jī)智能調(diào)速系統(tǒng)進(jìn)行了開發(fā)和調(diào)試。

        1 系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

        1.1 PLC控制系統(tǒng)的模塊分析

        PLC在工業(yè)控制領(lǐng)域占有重要地位,與電器接觸器控制系統(tǒng)相比,更具靈活性和可靠性。此外,PLC有更大的優(yōu)勢(shì):硬件更通用、編程更簡(jiǎn)單、軟件更靈活,更適于使用和調(diào)試[1]。PLC主要應(yīng)用在:開關(guān)量控制、模擬量控制、軟元件、對(duì)特殊應(yīng)用的特殊指令集、數(shù)據(jù)處理和通信組網(wǎng)。

        1.2 電機(jī)的選型原理

        伺服電機(jī)的選型,重要在于能夠保證系統(tǒng)加速和減速、靜態(tài)和動(dòng)態(tài)穩(wěn)定、動(dòng)態(tài)運(yùn)行平穩(wěn)、抗干擾性強(qiáng)。選擇電機(jī)時(shí)要滿足2個(gè)公式:

        其中:JL代表負(fù)載慣量,JM代表電機(jī)轉(zhuǎn)子慣量,MB代表電機(jī)加速和減速的轉(zhuǎn)矩,MS代表電機(jī)靜態(tài)的轉(zhuǎn)矩。

        進(jìn)行伺服電機(jī)選型的過程中,要提前預(yù)估系統(tǒng)繞線圈的最大尺寸,據(jù)此預(yù)算轉(zhuǎn)動(dòng)慣量,然后選好固定夾鉗和金屬桿,算出轉(zhuǎn)動(dòng)慣量,最后根據(jù)得到的數(shù)據(jù)去計(jì)算電機(jī)容量,選擇合適的電機(jī)。選完電機(jī)后,觀察電機(jī)性能表,檢查電機(jī)在最高轉(zhuǎn)速時(shí)的加速轉(zhuǎn)矩,并據(jù)此預(yù)估加速時(shí)長(zhǎng)。

        2 系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

        本文的軟件設(shè)計(jì)是在硬件的基礎(chǔ)上來展開,在系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過程中,要選擇一組容量小點(diǎn)的伺服電機(jī)和驅(qū)動(dòng)模塊進(jìn)行試驗(yàn)。

        2.1 伺服電機(jī)智能調(diào)速系統(tǒng)的基本配置

        基于PLC控制的伺服電機(jī)智能調(diào)速系統(tǒng)主要采用的電機(jī)為SGMJV伺服電機(jī),驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)為SGDV系統(tǒng),PLC采用艾默生EC11系列的PLC和相應(yīng)的I/O擴(kuò)展系統(tǒng)與A/D擴(kuò)展系統(tǒng),人機(jī)界面采用OPAS的人機(jī)界面。伺服電機(jī)SGMJV額定輸出400W,電壓200V,電流 2.8A,最大電流 9.5A,轉(zhuǎn)矩 1.2Nm,瞬時(shí)最大轉(zhuǎn) 矩 4.5Nm, 轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)慣量0.44×10-4kgm2,伺服驅(qū)動(dòng)SGDV額定輸入三相200~230V,額定輸出三相0~230V/0~400V。

        表1 PLC的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)信息

        此外,PLC具有中斷輸入的功能,有脈沖輸出的功能。通道模擬量輸入的轉(zhuǎn)換速度為6~15ms/通道,輸入電壓-10~10V,輸入電阻1MΩ,輸入電流 -20~10mA,數(shù)字輸出為 -2000~2000,設(shè)置范圍-10000~10000。人機(jī)界面顯示區(qū)域192×64LCD點(diǎn)陣,按鍵20個(gè),畫面64KB,ROM1KB,PC下載口RS223,通訊口RS223協(xié)議。

        2.2 伺服電機(jī)的智能調(diào)速設(shè)計(jì)

        基于PLC控制的伺服電機(jī)智能調(diào)速系統(tǒng)在設(shè)計(jì)時(shí)是空載運(yùn)行,但依然要考慮實(shí)際應(yīng)用時(shí)的緩起和緩?fù)?。緩速起?dòng)和緩速停止的目標(biāo)是保證帶有線圈負(fù)荷的電機(jī)在起動(dòng)和停止時(shí)不會(huì)受到太大的沖擊,能夠平穩(wěn)的完成兩種狀態(tài)的轉(zhuǎn)換,同時(shí)要保證兩組電機(jī)的速度匹配。系統(tǒng)的控制主要是采用EC10系列的PLC指令來進(jìn)行,從一開始,在每個(gè)PLC運(yùn)行的周期變化一個(gè)步進(jìn)量,當(dāng)所有步數(shù)完成,便到達(dá)終點(diǎn)的量,PLC運(yùn)行的周期越短,完成RAMP指令的時(shí)間就越短。采用RAMP指令延長(zhǎng)時(shí)間,進(jìn)而使得多段演示指令進(jìn)行組合。若PLC的掃描時(shí)間很短,RAMP運(yùn)行的時(shí)間就很短,電機(jī)可能受到?jīng)_擊,變速過程也會(huì)不太理想。緩起和緩?fù)5乃俣绕ヅ渲恍枰谙到y(tǒng)上適當(dāng)調(diào)整即可。

        緩起和緩?fù)J鞘謩?dòng)操作運(yùn)行鍵和暫停鍵來控制,在換向時(shí),必須從高速停止換向到反向高速。為了減少電機(jī)受到的沖擊,在臨近端點(diǎn)時(shí),需要進(jìn)行自動(dòng)的減速,降低速度后再進(jìn)行換向。設(shè)定一個(gè)近端點(diǎn),按同種策略進(jìn)行控制。

        基于PLC的伺服電機(jī)系統(tǒng),在EC10系列PLC的系統(tǒng)配置時(shí),配置輸入點(diǎn)開機(jī)模式并選擇,選擇一個(gè)開關(guān)作為PLC系統(tǒng)的起動(dòng)開關(guān)。當(dāng)PLC上電后,開關(guān)沒按下,便處于待機(jī)狀態(tài),開關(guān)按下,便開始運(yùn)行程序。系統(tǒng)中激活STOP指令時(shí),PLC系統(tǒng)停止運(yùn)轉(zhuǎn),一般這種情況發(fā)生有兩種可能,繞線完成或中斷。為了保證PLC的停止可靠,要預(yù)留出時(shí)間進(jìn)行數(shù)據(jù)的保存,保證PLC重新啟動(dòng)后的工作能順利進(jìn)行。

        2.3 系統(tǒng)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)設(shè)計(jì)

        PLC控制系統(tǒng)具有掉電時(shí)自動(dòng)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的功能,當(dāng)系統(tǒng)意外中斷時(shí),系統(tǒng)能夠自行保存當(dāng)前運(yùn)行的參數(shù)值,待排除故障后自行恢復(fù)并還原數(shù)據(jù)。系統(tǒng)保存范圍內(nèi)元件值上電前后保持不變,在主程序運(yùn)行時(shí)加入?yún)?shù)保存驅(qū)動(dòng),每個(gè)掃描周期完成一次保存數(shù)據(jù)的操作;設(shè)置掉電中斷程序,當(dāng)PLC檢測(cè)到掉電,執(zhí)行中斷程序,對(duì)參數(shù)值進(jìn)行保存操作。

        3 實(shí)例分析

        在PLC控制的伺服電機(jī)智能調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)完畢后,需對(duì)PLC控制系統(tǒng)是否能正常運(yùn)行進(jìn)行測(cè)試,為了保證實(shí)驗(yàn)的有效性,使用傳統(tǒng)的伺服電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)與本文設(shè)計(jì)的基于PLC的伺服電機(jī)智能調(diào)速系統(tǒng)進(jìn)行對(duì)比。為保證實(shí)驗(yàn)的準(zhǔn)確性,對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行嚴(yán)格把控。

        3.1 數(shù)據(jù)準(zhǔn)備

        SGMJV伺服電機(jī),驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)為SGDV系統(tǒng),PLC采用艾默生EC11系列的PLC和相應(yīng)的I/O擴(kuò)展系統(tǒng)和A/D擴(kuò)展系統(tǒng),人機(jī)界面采用OPAS的人機(jī)界面。PLC系統(tǒng)和文本顯示器程序設(shè)計(jì)完成后,將各部分聯(lián)系起來,對(duì)伺服驅(qū)動(dòng)端子進(jìn)行輸入控制信號(hào)操作。

        3.2 USB驅(qū)動(dòng)測(cè)試結(jié)果分析

        由于電路干擾和PLC驅(qū)動(dòng)處理的舍入誤差,得出的計(jì)算結(jié)果與實(shí)際結(jié)果存在一定的誤差,但誤差很小。模擬電壓值與電機(jī)實(shí)際轉(zhuǎn)速的對(duì)應(yīng)效果很好,線性度也很高,誤差很小,范圍在2~3r/min,可以看出A/D模塊很好的完成了模擬量和數(shù)字量間的轉(zhuǎn)換工作,見圖1。

        圖1 電機(jī)轉(zhuǎn)速與電壓值的關(guān)系

        進(jìn)行多次反復(fù)試驗(yàn),由系統(tǒng)調(diào)試的結(jié)果可以看出,普通的伺服電機(jī)系統(tǒng)與本文設(shè)計(jì)的基于PLC的伺服電機(jī)系統(tǒng)差距很大,本文設(shè)計(jì)的系統(tǒng)運(yùn)行誤差較小,更加符合伺服電機(jī)的容量和慣性要求。普通的伺服電機(jī)系統(tǒng)和本文設(shè)計(jì)的基于PLC的伺服電機(jī)系統(tǒng)誤差率見圖2。

        圖2 普通系統(tǒng)與設(shè)計(jì)系統(tǒng)的誤差率對(duì)比圖

        根據(jù)上圖可知,基于PLC控制的伺服電機(jī)系統(tǒng)的誤差率低于傳統(tǒng)的伺服電機(jī)系統(tǒng),此外,傳統(tǒng)方法傳輸?shù)乃俣嚷?、精度很低,處理?shù)據(jù)能力差,沒有自動(dòng)儲(chǔ)存數(shù)據(jù)的功能,完全低于PLC控制的數(shù)據(jù)處理水平和工作能力。

        4 結(jié)語

        本文設(shè)計(jì)的基于PLC控制的伺服電機(jī)智能調(diào)速系統(tǒng),比傳統(tǒng)的伺服電機(jī)系統(tǒng)的傳輸速度更快、更方便且實(shí)驗(yàn)誤差小,具有自動(dòng)保存數(shù)據(jù)的功能。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,系統(tǒng)真實(shí)有效,希望通過本文的研究能夠提升伺服電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的有效性和實(shí)用性。

        [1] 徐小輝.基于PLC的電源節(jié)能智能控制器設(shè)計(jì)[J]. 電源技術(shù),2017,39(11):1643-1645.

        [2] 魏強(qiáng),田思慶,李帥等.基于PLC與HMI技術(shù)的智能滴灌控制系統(tǒng)[J].節(jié)水灌溉,2016,39(4):94-97.

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