孫文慧

（天津水科機(jī)電有限公司，天津 301900）

0 概述

隨著現(xiàn)代制造業(yè)的迅猛發(fā)展，在同一控制系統(tǒng)中，如：數(shù)控機(jī)床，機(jī)器人，印刷機(jī)械等很多應(yīng)用場合都會需要實(shí)現(xiàn)多軸同步控制，且對控制的實(shí)時(shí)性、控制精度要求也越來越高。

目前多軸同步控制已經(jīng)從傳統(tǒng)的機(jī)械共軸傳動、機(jī)械傳動鏈傳動實(shí)現(xiàn)向無軸傳動方式的轉(zhuǎn)變。無軸傳動又稱為虛擬電子軸、電子齒輪傳動，是將機(jī)械傳動比轉(zhuǎn)化為電子比，通過運(yùn)算直接將運(yùn)動控制信號發(fā)送給帶動執(zhí)行機(jī)構(gòu)的電機(jī)，完成精確的運(yùn)動控制。

本文以三軸線速度同步運(yùn)動控制為例，對基于PLC的多軸同步控制系統(tǒng)進(jìn)行研究。

1 基于PLC的多軸同步控制系統(tǒng)構(gòu)建

1.1 方案1：編碼器+PLC+伺服電機(jī)控制方式

1.1.1 系統(tǒng)工作原理

這種方式的原理如圖1所示，PLC通過控制變頻電機(jī)（或其他可調(diào)速電機(jī)）帶動軸1作為速度基準(zhǔn)軸運(yùn)行，同時(shí)利用編碼器將軸1的運(yùn)動狀態(tài)實(shí)時(shí)反饋至PLC高速脈沖輸入口，PLC通過讀取高速脈沖輸入口數(shù)據(jù)，計(jì)算出此時(shí)其他兩個(gè)軸的控制電機(jī)所需要的控制數(shù)據(jù)并分別發(fā)送至2個(gè)伺服電機(jī)控制器，控制伺服電機(jī)運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)軸2、軸3與軸1的同步運(yùn)行。

圖1 編碼器+PLC+伺服電機(jī)控制方式

1.1.2 系統(tǒng)配置需求

這種控制方式選擇元件時(shí)需滿足：

（1）選擇高精度增量型編碼器，以保證PLC對運(yùn)動基準(zhǔn)軸運(yùn)動狀態(tài)的精確采集，并注意脈沖輸出形式最好采用差分信號方式，更能保證精度，同時(shí)抗干擾能力強(qiáng)。

（2）PLC需配有與編碼器輸出脈沖形式相應(yīng)的高速脈沖輸入端子，接收編碼器的輸入脈沖；此外依據(jù)PLC與伺服電機(jī)的連接方式不同，PLC還需具有高速脈沖輸出端子或與伺服控制器相應(yīng)的通信接口。且PLC還需具有中斷和高速計(jì)數(shù)與計(jì)算功能。

（3）如果PLC與伺服電機(jī)控制器采用通信方式進(jìn)行連接，則伺服電機(jī)控制器應(yīng)具有與PLC相應(yīng)的通信接口，支持相應(yīng)的通信協(xié)議，伺服電機(jī)控制器選擇位置控制模式運(yùn)行。

1.2 方案2：PLC+伺服電機(jī)控制方式

1.2.1 系統(tǒng)工作原理

這種方式的原理如圖2所示，PLC通過內(nèi)部運(yùn)算，計(jì)算出設(shè)定工作速度下伺服電機(jī)需要的輸出數(shù)據(jù)分別發(fā)送至3個(gè)伺服電機(jī)控制器，控制伺服電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)3個(gè)軸的同步運(yùn)行。

圖2 PLC+伺服電機(jī)控制方式

1.2.2 系統(tǒng)配置需求

這種控制方式選擇元件時(shí)需滿足：

（1）依據(jù)PLC與伺服電機(jī)的連接方式不同，PLC需具有高速脈沖輸出端子或與伺服控制器相應(yīng)的通信接口。且PLC需具有高速計(jì)算功能。

（2）如果PLC與伺服電機(jī)控制器采用通信方式進(jìn)行連接，則伺服電機(jī)控制器應(yīng)具有與PLC相應(yīng)的通信接口，支持相應(yīng)的通信協(xié)議，伺服電機(jī)控制器選擇位置控制模式運(yùn)行。

2 PLC運(yùn)算

（1）方案1計(jì)算

PLC接收外部運(yùn)行速度設(shè)定信息后，首先控制變頻電機(jī)（或其他可調(diào)速電機(jī)）啟動逐漸加速至設(shè)定轉(zhuǎn)速運(yùn)轉(zhuǎn)，同時(shí)啟動高速計(jì)數(shù)和定時(shí)中斷功能，根據(jù)控制精度需要及PLC運(yùn)算速度，以10 ms或100 ms為定時(shí)中斷條件，在中斷周期內(nèi)對高速脈沖輸入口的輸入信號進(jìn)行高速計(jì)數(shù)，定時(shí)中斷信號到來后，取出計(jì)數(shù)數(shù)值，并對計(jì)數(shù)地址內(nèi)的數(shù)據(jù)進(jìn)行清零，開始下一次中斷周期的高速計(jì)數(shù)，通過數(shù)據(jù)對軸1的轉(zhuǎn)速實(shí)時(shí)計(jì)算。

在得到軸1的實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)速后，依據(jù)各軸的機(jī)械尺寸、各電機(jī)所帶減速器的減速比以及伺服電機(jī)控制器內(nèi)部所設(shè)定的電子齒輪比等數(shù)據(jù)，即可計(jì)算出與軸1的速度相對應(yīng)的軸2和軸3的轉(zhuǎn)速，并將此轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù)或與轉(zhuǎn)速相對應(yīng)的脈沖數(shù)據(jù)及控制信號發(fā)送至軸2、軸3的伺服電機(jī)控制器，從而實(shí)現(xiàn)控制三軸同步運(yùn)行。這種方式是軸2、軸3在追隨軸1的運(yùn)轉(zhuǎn)，所以整個(gè)系統(tǒng)啟停階段的加減速是通過控制軸1電機(jī)的加減速曲線來完成的。

（2）方案2計(jì)算

PLC接收外部速度設(shè)定信息后，根據(jù)各軸的機(jī)械尺寸、電機(jī)所帶減速器的減速比以及伺服電機(jī)控制器內(nèi)部所設(shè)定的電子齒輪比，即可計(jì)算出相對此設(shè)定速度的各軸所需的轉(zhuǎn)速，并將此轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù)或與轉(zhuǎn)速相對應(yīng)的脈沖數(shù)據(jù)及控制信號發(fā)送至各個(gè)伺服電機(jī)控制器，控制三軸同步運(yùn)行，注意此種控制方式時(shí)，電機(jī)的啟停階段的加減速曲線應(yīng)由PLC輸出數(shù)據(jù)的變化控制完成，而非直接將目標(biāo)速度參數(shù)發(fā)送給伺服電機(jī)控制器，由控制器內(nèi)部參數(shù)設(shè)定來完成，這樣可適當(dāng)防止由于電機(jī)控制器及電機(jī)差異造成的啟停階段出現(xiàn)的不同步。

根據(jù)PLC的運(yùn)算原理可知：由于方案1中PLC需要首先實(shí)時(shí)采集軸1的運(yùn)行信號，然后根據(jù)軸1的運(yùn)行速度不斷調(diào)整軸2與軸3的控制信號，因此控制精度略低于方案2，對于精度要求不太高，多軸同步的軸數(shù)較少時(shí)可以采用方案1，該方案成本略低。

3 PLC與伺服控制器的連接方式

PLC與伺服電機(jī)控制器通常有兩種方式進(jìn)行連接：

（1）PLC可通過端子直接連接伺服電機(jī)控制器的接線端頭，發(fā)送控制脈沖信號對伺服電機(jī)進(jìn)行控制，這種方式需要PLC具有高速脈沖輸出接點(diǎn)，對于伺服電機(jī)數(shù)目較少的控制系統(tǒng)，可采用這種方式。此方式成本略低。

（2）PLC也可通過通信，如RS485或CANopen等通信方式與伺服電機(jī)控制器的通信接口進(jìn)行連接，發(fā)送控制數(shù)據(jù)對伺服電機(jī)進(jìn)行控制，這種方式需要PLC與伺服電機(jī)控制器具有支持相同通信協(xié)議的通信接口，此時(shí)PLC不需要高速脈沖輸出接點(diǎn)，伺服電機(jī)數(shù)量的可擴(kuò)展性提高，但這種連接方式需要考慮通信線傳輸距離及通信的抗干擾問題。

4 結(jié)語

通過以上分析可知：

（1）構(gòu)建基于PLC的多軸同步控制系統(tǒng)，如果控制軸數(shù)量較少、精度要求不是特別高且要節(jié)約成本的話，可以采用方案1+端子接線的方式實(shí)現(xiàn)，但采用方案1還需注意，軸1與軸2、軸3如果工作在前后順序狀態(tài)時(shí)，在設(shè)計(jì)選型中應(yīng)滿足各軸的扭矩相差不大，否則運(yùn)行過程中有可能出現(xiàn)由于軸1的運(yùn)動速度波動而引起軸2或軸3拖動軸1飛轉(zhuǎn)或拖停的現(xiàn)象。

（2）構(gòu)建基于PLC的多軸同步控制系統(tǒng)，如果控制軸數(shù)量較多、精度要求較高的話，建議采用方案2+通信方式進(jìn)行。

當(dāng)然，最佳的實(shí)現(xiàn)方案還要設(shè)計(jì)者依據(jù)具體的應(yīng)用情況進(jìn)行設(shè)定。