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交流伺服（fú）電機的PLC控製綜合（hé）性實驗開發與設計

2017-7-13 來源：廣東石油化工學院機電（diàn）工程學院作者：陳英俊（jun4）,黃崇林

摘要:為探索機（jī）械類創新應用型人才（cái）的培養模式、提高學生的工程實踐能力,根據交流伺服電機的位置（zhì）控製模式（shì）及PLC高速（sù）脈衝輸出原理,開發和（hé）設計了交流伺服電機的（de） PLC控製綜（zōng）合性實（shí）驗.實（shí）驗內容包括設置交流伺服驅（qū）動器（qì）參數（shù）、電氣設（shè）計與連線、運用 PLC的高（gāo）速脈（mò）衝處理指令編製程序,以（yǐ）及控製電機按指定的（de）速度運行、單軸快速定（dìng）位和指定（dìng）的加減速動作.通過實驗,學生鞏固和擴展了課堂知識、激發了（le）學習興趣、提高了教學質量.

關鍵詞:交流伺服電機;PLC控製;綜合性實驗

隨著交（jiāo）流伺服技術的發（fā）展,其技（jì）術越（yuè）來越（yuè）成（chéng）熟（shú）,成本也不斷地（dì）在降低,交流伺服（fú）電機逐漸（jiàn）取代直（zhí）流伺服電機成為機電一（yī）體化技術和（hé）產品中主流控製用電動機[１Ｇ２].特別是在多自由度的工（gōng）業機器人、現代數控（kòng）機（jī）床上,交流（liú）伺服電（diàn）機因為其使用的便（biàn）利性及免維護性,得到了廣泛的（de）應用[３Ｇ４].交（jiāo）流伺（sì）服控製技術是高校機械類專業學（xué）生必須學習和實踐的重要內容[５Ｇ６],而可（kě）編程控製(programmablelogicalcontroller,PLC)是在工業控製中廣泛采用的一（yī）種穩定可靠的控製器,學生在高年級時已經修讀（dú）過相關課（kè）程,具備了開展交流伺服電機的PLC控製（zhì）綜（zōng）合性實驗的知識基（jī）礎.

本文根據探索機械類創新應用型人才培養模式的需要,以鞏固機械（xiè）類學生（shēng）相關的專業課（kè）程知（zhī）識與提高其工程實踐能力、創新能力為（wéi）目標,在交流伺服電動（dòng）機係統和 PLC控製器（qì）組成的（de）實驗平台上,開展交流伺服電機的 PLC控製綜合性實驗技術（shù）研究,開發設計相應的（de）實驗項目,對提高機械類（lèi）專業學（xué）生的培養質量具有（yǒu）實際意（yì）義。

１.實驗設計原理

實驗開（kāi）發與設計的目的,在於學生通過（guò）在本實驗中（zhōng）綜合運用交流伺服電機與PLC控製的知識（shí）,設計和搭建出PLC控製交流伺服電機的（de）係統,學習和掌（zhǎng）握交（jiāo）流伺服電機及其驅動器的操作和使用方法（fǎ）,實現交流（liú）伺服電機（jī）的單軸（zhóu）定（dìng）位和加減速等的簡（jiǎn）單控製,進一步強化學生對“機（jī）電一體化設計基礎”“可編程控製器”“機電傳動控製”等課程知識的掌握,提升學生的實際操作能（néng）力.同時教（jiāo）師利用此新的（de）教學手段,提高教學質量和學生的學習效（xiào）率.

１．１交流伺服電機及其驅動器的理論基礎

對於一般（bān）簡單的機電（diàn）一體化控製係統,常常采用廉價的步進電機,其控製精度已經（jīng）足（zú）夠;對於要求控製精度高,並且速度、負載變化大的場合（hé）,則應該（gāi）采用交流伺服電機,又因（yīn）其（qí）使用方便,所（suǒ）以常常取代了直流伺服電機[７].交流伺服電機必須與驅動器配套使用才能夠（gòu）正常工作,伺服驅動器為伺服電（diàn）動機提供動力及相應的控製信號,並且根據電動機（jī）尾（wěi）部的光柵傳感器檢測到的電機（jī）速度或位置信號,實時調整電機動作,使其與設計人員既定的（de）使用要求相匹配.交流伺服係統示意圖如圖１所示.

圖１　交流伺服係統示意圖

2.交流伺服電動機的驅動器

常見的３種控製模式有:位置控（kòng）製、速（sù）度（dù）控製和轉矩控製[８].位置控（kòng）製是通過上位機提供給伺服驅動（dòng）器（qì）的脈衝控製信號來控製伺服（fú）電機動作的,而速（sù）度（dù）控製和轉矩控（kòng）製則是（shì）通過上（shàng）位機提供的（de）模擬量控製信（xìn）號去控製伺服電機的[９].本實驗選用的是８０STＧM０２４３０交流伺（sì）服電機和AASD１５A伺服驅（qū）動器,其技術規格（gé）如表１和（hé）表２所（suǒ）示.

表１８０STＧM０２４３０交流伺服電動機技（jì）術規格

表２AASD１５A交（jiāo）流伺服驅動器技術（shù）規格

交流伺服電（diàn）機額定電壓為常用的市電２２０V,功率在交流伺服電機中屬於小功（gōng）率型,體積較（jiào）小;驅動器則是與交流伺服電機同一生產廠家的、功（gōng）率相匹配的驅動器.這裏驅動器的控製模式（shì）選用位置控製（zhì）,為一種常見的、易（yì）用的（de）、成（chéng）本較低的驅動器控製模式,一般都能夠（gòu）滿（mǎn）足實（shí）際機電一體化係統的（de）控製需要.選用的設備既能達到讓學生學會典型交流伺服係（xì）統（tǒng）的目的,而且使（shǐ）用方便（biàn）、價格適中.

１．２PLC控製的交流伺服電機的理論基礎

實驗中的PLC控製器實質就相當於（yú）圖１中的交流伺服驅動係統的上位機,為（wéi）交流（liú）伺服驅動器提供（gòng）外部的控製信號.這裏驅動器的控製模式選用位置控製,則（zé） PLC則必須選擇能夠輸出脈衝（chōng）控製信號的脈衝輸出型PLC,而非繼電器輸出型的 PLC.本實驗中直接（jiē）利用PLC輸出的高（gāo）速脈衝信號實（shí）現交流伺服係統的簡單控製.

本（běn）實驗選用的 PLC 型號為（wéi） FX１NＧ２４MT,是日本三菱（líng）公（gōng）司生產的功能強大的微型 PLC,能提供輸入（rù）輸出總點數為２４點(輸（shū）入１４點（diǎn）、輸出１０),能同時輸出２點（diǎn）１００k Hz脈衝（chōng）,PLC配備有７條特殊的定位指令,包括零返回（huí）、絕對位置讀出、絕對或相對驅動以及（jí）特（tè）殊脈衝輸出控（kòng）製[１０].２　實驗（yàn）開發與設計

２．１交流伺服驅動器的設置

在交（jiāo）流伺服電機及其驅動器（qì）連接PLC之前,必須通過其操控麵板設（shè）定好驅動器參數,並且在（zài）修改後需寫入保存,重啟後方能生效.因此學生必須熟悉驅動器操（cāo）控麵板的操作.本實驗中必須設置的參數如表３所示.

表３交流伺服驅動器的參數設置

這裏尤其（qí）需要注意的是（shì）電子齒輪比的設置（zhì）.電子齒輪比是所有交流伺服驅動器必須設置的重（chóng）要參數.因為交流伺服電機的編碼器反饋精度非常（cháng）高,如（rú）這裏采用的AASD１５A伺服驅（qū）動器的編（biān）碼器為１５線增量型,其理論每圈分（fèn）辨率最高為（wéi）２１５＝３２７６８個脈（mò）衝.但實際采用如此高的編碼器分辨率在編程和控（kòng）製上並不方便,也往往不需要如此高（gāo）的精度,所以一般都人工設定一個較低的分辨率,即每圈（quān）脈衝數.伺服驅動器的電子齒輪比定義為

PN０９８為電（diàn）子齒輪比分子,出廠默認值為（wéi）１,取值範圍（wéi）為１~３２７６７;PN１０２為電子齒輪比（bǐ）分母,出廠默（mò）認值為１,取值（zhí）範圍為１~３２７６７.比如欲設置交（jiāo）流伺服電機５０００個脈衝轉１圈,則電子齒輪比（bǐ）為２,所（suǒ）以PN０９８應（yīng）設為２,PN１０２應設為１;設置交流伺服電機（jī）１００００個脈（mò）衝轉１圈,則電子齒輪比為１,所以 PN０９８應設（shè）為１,PN１０２應設為１,此為出廠默（mò）認值.熟悉並設置好電子齒輪比,在後續編程中（zhōng）才能（néng）對應地準確控製交流伺服電機的轉速（sù）和位移（yí）,從而保證實驗安全.

２．２PLC控（kòng）製程序的編寫

學生需在計算機上自行安裝PLC編程軟件 (如GX Works２),並且正確設置 COM 通信（xìn）口,通過（guò）編程電纜實現與（yǔ）PLC的通信,能夠順利讀取 PLC 中原來（lái）的程序.在 PLC控製交流伺服電機中,主要通（tōng）過(D)PLSY和(D)PLSR 兩個高速脈衝處理指令實現電機指定速度運行、單軸快（kuài）速（sù）定位和指定的（de）加減速動作.(D)PLSY 指令用於產生指定數量的脈衝.通過在（zài）程序中使用(D)PLSY 指（zhǐ）令可以控製交流伺服電機（jī）以恒定轉速轉動（dòng）指定圈數,實現交流伺服電機的單軸快速定位.其指令格式如圖２所示[１１].

圖２脈衝輸出指令(D)PLSY

關於(D)PLSY 指令格式的（de）說明:(１)圖２中指定脈衝（chōng）頻率.對於 FX１N 係列PLC,用１６位指令 PLSY 時,最高輸（shū）出頻率為３２７６７Hz;用３２位（wèi）指令 DPLSY 時,最高輸出頻率（lǜ）為２０k Hz.實驗中,交（jiāo）流伺服（fú）電機是位置控製（zhì）也就是脈衝控製（zhì）模式,是通過脈衝頻率控製（zhì）電機的轉速,所以[S中的參數就決定了電機的轉速.但電（diàn）機實際轉速還需配合伺服驅（qū）動器（qì）中所設定的電子齒輪比（bǐ）進行（háng）計算,即電機每一圈所（suǒ）設定的對應的脈衝數,才能得出電機的實際（jì）轉速(r/min).

(２)圖２中指定脈衝數量.因為交流伺服電機為脈衝（chōng）控（kòng）製模式,所以中的參數就決定了電機（jī）的位移.類似於電機（jī）的實際（jì）位移也要通過伺（sì）服驅動器中所設定的電子齒輪比進（jìn）行計算,才能得出（chū）電機實際轉過的圈數.

(３)圖（tú）２中。指定脈衝輸出元（yuán）件號（hào）.對於FX１N係列PLC,其輸出元件號隻能為 Y０或者 Y１。

圖（tú）３含有(D)PLSY指令的程序示例

在圖３所示程序中,DPLSY 指令的的值為K１００００,則表（biǎo）示輸出脈衝的頻率為１００００Hz,若（ruò）驅動器設定的電子（zǐ）齒輪比為２,交流伺服電（diàn）機５０００個脈衝轉一圈,每秒轉過１００００/５０００＝２圈,則指定了電機的轉速為１２０r/min;的值為 K３００００,電機共轉（zhuǎn）３００００/５０００＝６圈;脈衝輸出元件為 Y０,方向信號輸出元件為Y２,為低電平,電機順時針轉動.(D)PLSR 是帶（dài）加減速功能的脈衝輸出指令.通過在程序中使用（yòng）(D)PLSR 指令可以控製交流伺服電機以較平（píng）穩的速度啟動或者製動,可以用（yòng）來減小對（duì）機械零（líng）部件的衝擊或者使得在轉速（sù）變（biàn）化（huà）過程（chéng）中容（róng）易采集相關數據[１２].其指（zhǐ）令格式如（rú）圖４所示[１１].

圖（tú）４　脈衝（chōng）輸出指令(D)PLSR

(D)PLSR 指令按[指定的最高頻率分１０級減速,達到指定的輸出脈衝數後分１０級減速.關於(D)PLSR 指令格式的說明:(１)指定脈衝輸出元件,與(D)PLSY 指令類似,隻能指定 Y０或者 Y１;(２)設定（dìng）對（duì）應電機的最高轉速的（de）最高頻率,對於 FX１N 係（xì）列（liè） PLC 最高可（kě）設為（wéi）１００k Hz,並且必（bì）須為１０的倍數,實際電機轉速的（de）計算與上述使（shǐ）用)PLSY 指令（lìng）類似;(３)設定總輸出脈衝數,使用１６位指令PLSR時,設定（dìng）最大值為３２７６７,使用３２位指令DPLSR時,設定最大值為２１４７４８３６４７;(４)設定加減速時間,單位為 ms,最大值為（wéi）５０００ms,並且（qiě）還需滿足下列公式

２．３實驗電氣連線

實驗的電氣連線主要分為（wéi）２部分.一部分是交流伺服電機與其驅動器連線,即完成如圖１所示的（de）交流伺服（fú）電機係統連接.具體連接如下:伺服驅動器有３條電源線（xiàn）引腳,L１、L２、L３.對於小於１０００ W的交流（liú）伺服電機,一般接單相２２０V,即接L１、L２即可.電機線 U、V、W、E 和驅動器的 U、V、W、地引腳（jiǎo）一一對應連接.將廠家提供的電（diàn）機編碼器線與驅動器CN３直接相連.這部分的連線一般是連接好後,以後無論（lùn）采用何種上位機對（duì）交流伺服電機進行控（kòng）製,都不需要改變的.實驗的電氣連線另外一部分是伺服驅動器（qì）餘下的（de）CN２與上位機PLC的連接.CN２為交（jiāo）流伺服係（xì）統的控製信號輸入（rù）接口.CN２接（jiē）口一（yī）共包（bāo）含２５個引（yǐn）腳,采用位置（zhì）控製模式（shì）的話隻用到其中少（shǎo）數幾個（gè）引腳.PLC 輸出的是２４V 脈衝信號,按照伺服驅動器說明書（shū）,如圖５所示連接至PLC.其中的方向信（xìn）號引腳,按（àn）照默（mò）認邏輯如果接到２４V高電平的信號或者懸空,則電機逆（nì）時針轉（zhuǎn）動,若接到低電平信號０V,則電機順時針轉動.

圖５驅動器接口與 PLC連線

２．４實驗結果與注意事項

實驗中,通過編製含有(D)PLSY 和(D)PLSR 兩個指（zhǐ）令的程序,均能（néng）使得交流伺服（fú）電（diàn）機動作,並且根據（jù）程（chéng）序中設（shè）定的參數及驅動器設定（dìng）的（de）電子齒輪比計（jì）算得到的轉速,與驅動（dòng）器操（cāo）控麵板（bǎn）上顯示的轉速一致.根據程序中設定脈衝數與電機轉過的圈數一致,加減速時間也一致.用(D)PLSR 指令實現了交流伺服電機如圖６所（suǒ）示的梯（tī）形（xíng）加減速控製.實驗結果與預期控製（zhì）結果一致.

圖６　梯形加減速曲線

實驗中必須注（zhù）意（yì）的是（shì）所用 (D)PLSY 和 (D)PLSR指令對某個輸入元件都隻能使（shǐ）用一（yī）次;PLC 的輸出端子需要完整的回（huí）路,才能有電流流通或（huò）對控製元器（qì）件施加電壓,所以使用到的輸出元件的 COM 口（kǒu）需要短（duǎn）接.另外還需注意（yì）實驗的組織形式:(１)實驗分小組進行,小組人數以４人左右為宜（yí）,小（xiǎo）組（zǔ）內分工須嚴格明確.

(２)為提高學生的創新實踐（jiàn）能力,實驗中所有連線都須學生親（qīn）手連接,指導教師不給定參考程序（xù）,由學生自己靈活（huó）自由編製程序.實驗過程中,指導教師主要是對連線結果（guǒ）進行把關,保證實（shí）驗安全,以及指（zhǐ）定（dìng）學生必須要實現的電（diàn）機動（dòng）作.

３.結（jié）語

通過開發交流伺服電機的PLC控製綜合性實驗,讓學生設（shè）計（jì）並且實現了由PLC和交流伺服（fú）電機及其驅動器組成的機電控製係統,使學（xué）生熟悉了交流伺服電機的控製（zhì）方法,掌握了 PLC控製交流伺服電機（jī）程序的編（biān）寫及相關軟件.自己動手連線、操作（zuò）驅動器等使學（xué）生也學到了（le）一些教科書上沒有的知識（shí）,激發了學生對PLC控製設計的興趣,為其將來從事相關機電一體化（huà）係（xì）統設計工作奠定了基礎.

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