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應用 PLC 控製交（jiāo）流伺服驅動來精準定位教學探討

2017-5-16 來源：台州職業技術學院作（zuò）者：範（fàn）忠

摘要：PLC 控製伺服（fú）驅動（dòng）器來控製電機目（mù）前已廣泛應用於數控機床、機器人、輕功機械、紡織機（jī）械、醫療器械、自動（dòng）化生產線、半導體生產等各種（zhǒng）有精準調（diào）速、定位要求場合。如何教會高職學（xué）生掌握這門技術，文章對此做了（le）一些說明。

關鍵詞：PLC；伺服驅動器；抗幹擾（rǎo）

現在伺服電機係統融合了電（diàn）機、計算機、電（diàn）力電子、自動控製、精密機械、新材料和新科技等多種（zhǒng）高新技（jì）術。伺服電機不同於（yú）一般的變頻調速電機，它除了實現調速功能以外，還要實現位置、加速（sù）度、轉矩的（de）控製，而且動態特性也要常常（cháng）高於一般變頻調（diào）速電機。數字（zì）化交流伺服係統（tǒng）是隨自動（dòng）控製理論、計（jì）算機控製技術和電機控製技術的發展而出現的新型機電一體化係統，是通過計算機控製的開環或閉環係統，克服了傳（chuán）統直（zhí）流電機伺（sì）服（fú）係統缺點，獲得的十分廣泛的應（yīng）用。為了讓高職學生能夠掌（zhǎng）握這門（mén）技術，要求學生在單個學會 PLC 編程與伺服驅動控製基礎上從以下六個方麵學習。

1.精準定位整體設（shè）計

位（wèi）置控製的（de）根本任務就是使執行機構對位置指令精準跟蹤，被控量一般是負載的空間位移（yí），當給定（dìng）量隨機變化時，係統（tǒng）能使被控量無（wú）誤地跟蹤並反饋給（gěi）定量，給定量可能是角位移（yí）或（huò）直線位移。所以位置控製必然是一個反饋（kuì）控製係統，組成位置控製回路。該（gāi）精準定位係（xì）統的整體結構是（shì）由觸摸屏、可編程邏輯控製 PLC、交流伺服驅動器、交流伺服電機，滾珠絲杆工作台構（gòu）成一（yī）個閉環（huán）控製（zhì）係統。以實現絲杆精密（mì）進給。在位（wèi）置控製方式下，伺服驅動器接收 PLC 發出的（de）位（wèi）置指令信號（hào）脈衝方向，送入脈衝列形態，經電子齒輪分 / 倍頻後，在偏（piān）差可逆計數器中與反饋脈衝信號比較（jiào）後形成偏差信號。反饋脈衝是由光電編碼器檢測到實際所產生的脈衝數（shù），經四倍頻後產生的。位置偏差信號經位置環的（de）複合前饋控製器調節後（hòu），形成速度指令信號。速度指令信（xìn）號與速度反饋信號、位置檢（jiǎn）測裝置相同比較後的偏差（chà）信（xìn）號經速度環比例積分控（kòng）製器調節後產生電流指令信號，在（zài）電流環中（zhōng）經矢量變化後，由 SPWM 輸出轉矩電流，控（kòng）製交流（liú）伺服電機運（yùn）行。位置控製精度由旋轉編碼器每轉（zhuǎn）產生脈衝數來控製（zhì），本係統采用的是增量式光電編（biān）碼器。

2.整個控製係統（tǒng）技術要（yào）求與指標

整個係統要求具有以（yǐ）下功能：手動操作、自動操作、斷（duàn）電保護、可靠的故障診斷和字處理四項功能，技術指標是（shì）進給速度在 50mm/s~150mm/s，較高的定位控製精度（dù） 1μm。

3.電子齒輪比

與電子齒輪比設定相關的要素為：分辨率、螺距（jù）、電機與軸（zhóu）傳動比、移（yí）動負載位置數據的最小單位，也就是指令單位。電子（zǐ）齒輪比（N/M）= 編碼器最大分辨率乘軸傳動比乘以指（zhǐ）令單位除以移動（dòng）螺距，台達伺服電機編碼器每（měi）轉（zhuǎn）輸出脈衝（chōng）數均為 40000，4 倍頻後，最（zuì）大分辨率為 40000*4=160000。例如，絲杆螺距 5mm，指令單位 1μm，直接傳動，則電子齒輪比（bǐ）=（160000*1μm*1）/5mm=32。電子齒輪比在伺服驅動器參數P1-44 設成（chéng） 32，參數 P1-45 設為 1。

4. 限位開關電（diàn）路設計

工作台在絲杆運行（háng）時，必（bì）須有限位開關來保護兩端（duān）極限（xiàn），控製其（qí）左限位、原點、有限位（wèi）。電路采用 MOCH21A 芯片，這芯片由發光二極管和三極管構成（chéng），其原（yuán）理是：PLC 通（tōng）過采集 4 號引腳電壓是高電平還是低電平，這芯片 4 腳是集電極開路 OC門，需要（yào）上拉電阻 1000Ω，由 PLC 提供 24V 電源，當工作台到達極限（xiàn）或者原點位置，PLC 采集是高電平 24V，否則 PLC 采（cǎi）集電（diàn）壓為 0V。

5.差分電路設計

伺服電（diàn）機的速度閉（bì）環控製（zhì），光電脈衝編碼器實（shí）時（shí）監檢測電動機轉（zhuǎn）子位置信息，其檢測精度直接影響對電機的控製精度。其原理是伺服（fú）驅動器（qì）與電動機同軸相連的光（guāng）電編（biān）碼器將（jiāng）電機角位移量轉換成（chéng）脈衝信號，轉軸每旋轉（zhuǎn）一周，脈衝發生器輸出一定的脈衝數，其輸出的脈衝頻率與轉速成正比（bǐ），A 脈衝與 B 脈（mò）衝相位相差 90°，來判斷 A 脈衝超前滯後 B 脈衝來判斷轉動方向。Z 脈衝是發出一（yī）轉脈衝，可獲得零位（wèi）參考位置。這脈衝信號經過驅（qū）動器（qì）傳給 PLC，經 PLC 內部高速計數器來統計編碼器發出脈衝個（gè）數實現定位，由於（yú）伺（sì）服驅動器輸出的 3 組脈衝（chōng） A 脈衝、B 脈衝、Z 脈衝為差（chà）分信號，A 脈衝、B脈衝用來知道轉速（sù）快（kuài）慢和方向，Z 脈衝用來找原（yuán）點。基於 A、B、Z 信號（hào）都是差分信號，即為雙端輸（shū）入信號，而其 PLC 需要的輸入信號（hào）是單端輸入信號，必須（xū）通（tōng）過差分信號處理電路，將雙端輸入轉換（huàn）成單端輸出。差分處理電路選用 MAX485 來完成，MAX485 是用於 RS-422 與 RS-485 通信的低功耗收發器，可以實現的傳（chuán）輸速率最高為 2.5Mbps，MAX485 芯片的內部包括：驅動（dòng）器和接收器，RO 端為接收器的（de）輸出端，DI 端為驅動器的輸入端，RE 端為接受（shòu）使能端，DE 端為發送的（de）使能端，芯片使用方便，連線簡單。MAX485 工作在半雙工狀態，所以當 DE 為邏輯 0 時，器件則處於接收狀（zhuàng）態；而當 RE 為邏輯 1 時，器件處於發送（sòng）狀態。A、B 兩端分別為接（jiē）收和發送的差分信號端，若 A 引腳的電（diàn）平比 B 引腳的電平低，則發（fā）送的數據為（wéi） 0，而（ér） A 引腳的電平（píng）比 B 引腳的電平高，發送的數（shù）據為 1。

6.光電（diàn）隔（gé）離電路的總體設計

A、B、Z 信號（hào）輸出時，會受到外界幹擾，會使 PLC 計數脈（mò）衝（chōng）信（xìn）號計數不準確，通過（guò）光電隔離電路的作用把幹（gàn）擾源與有用脈（mò）衝信號隔離出來，切斷幹擾通道，使監控（kòng）裝置與現場保持信號聯係，而（ér）不直接聯係，達到防止幹擾作用。通過電、光、電這種轉換，利用“光”這種環節隔離，使輸入輸出在電氣上完全隔（gé）離（lí）這種方（fāng）法，學生必須去學會（huì）應用，且去了解其它隔（gé）離方式，繼電器隔離、變（biàn）壓器隔離以及隔離放大器等（děng）。因為精確定位係統對數據傳輸速度要求（qiú）較高，該（gāi）電路（lù）選擇高速光（guāng）耦 6N137，6N137 是一款（kuǎn）通（tōng）用光電耦合器，包含一個砷化镓紅外發光（guāng）二（èr）極管，矽光電晶體管，光電耦合器（qì）能夠（gòu）將電信號變成光信號再變成電信號，主要起到信號（hào）耦合，電（diàn）的隔離。6N137 的 6 腳，因其是集電極開路輸出（chū）端，通常會接上一個上拉 5600Ω 電阻，電阻不能太小，如果電阻太小，6N137 耗電和電源衝擊都會跟著（zhe）加大，使旁路電容無法吸收，整個模塊的電源因此受到幹擾，甚至電線（xiàn）上會產生尖峰噪音。

7.結語

PLC 伺服控製係統實現精度定位的設計，能提高（gāo）生產效率及很高運動控（kòng）製精確度，能讓高職學生掌握好這門技術，通過 PLC、伺服係統、光電編碼器，實（shí）現位（wèi）置精準定位，和學（xué）會采取一些必要抗幹（gàn）擾措施有一定（dìng）意義。

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