PLC-自整角機隨動控制系統

摘要：運用永磁低速同步電動機和自整角機測角位移的工作原理來實現隨動系統的運行，PLC A/D工作模塊的工作原理調控控制系統，通過PLC技術、伺服系統位置測量技術和機械傳動技術，形成了機電一體化的實踐平臺。

關鍵詞：隨動系統；永磁同步低速電動機；自整角機；PLC A/D模塊

中圖分類號：TP275 文獻標識碼：A 文章編號：1674-7712 (2012) 14-0071-01

對于自整角機隨動控制系統，在以往是通過機械結構傳動來控制的，本項目通過機電一體化隨動控制系統來改變機械位置或角度。這樣的裝置耗能少、工作效率高。

一、角位移隨動系統的現狀與總體設計原理

（一）角位移隨動系統的現狀

目前的角位移隨動控制系統，如數控機床的刀具給進和工作臺的定位控制，工業機器人的工作動作，工業自動導引的運動，國防上的雷達跟蹤、導彈制導、火炮瞄準等。在現代計算機集成制導系統（CIMC）、柔性制造系統（FMS）等領域，位置隨動系統得到越來越廣泛的應用。位置隨動系統可以分為兩類，開環控制系統和閉環控制系統。相對于閉環控制系統而言，開環控制系統設計更加簡單，但其在跟隨精度上可能不如閉環控制系統。但對于一般系統而言開環系統足矣。

（二）總體設計原理

本設計的角位移隨動系統采用開環設計，首先，通過兩臺同步電機分別對兩根軸驅動，兩根軸分別帶動三相對接的兩臺自整角機的轉子，當兩根軸的轉速不同時，輸出交流誤差電信號，并將此交流電信號經過相敏解調器轉換為直流電信號，再輸入PLC的AD模塊，最后通過PLC驅動電機改變轉速，消除轉動誤差，使兩根軸達到同步隨動的效果。

二、自整角機的選用及其工作原理

（一）自整角機介紹

自整角機是利用自整步特性將轉角變為交流電壓或由轉角變為轉角的感應式微型電機，在伺服系統中被用作測量角度的位移傳感器。自整角機還可用以實現角度信號的遠距離傳輸、變換、接收和指示。兩臺或多臺電機通過電路的聯系，使機械上互不相連的兩根或多根轉軸自動地保持相同的轉角變化，或同步旋轉。

（二）自整角機選用

基于本系統的工作特點：兩臺自整角機的勵磁繞組沒有連接在一起，一臺自整角機的勵磁繞組加上勵磁電壓，另一臺自整角機的勵磁繞組懸空。那么當兩臺自整角機的轉角存在差值是，輸出的是電壓信號的形式，電壓信號從另一臺自整角機的勵磁繞組輸出。該電壓信號與轉角的差值存在一定的函數關系?？梢钥吹剑@樣的連接方式下自整角機的工作特點是轉角存在差值時，能輸出與轉角差值對應的電壓信號。

（三）控制式自整角機工作原理

控制式自整角機發送機的勵磁繞組由單相交流電源勵磁，其三相整步繞組和自整角變壓器的整步繞組對應相接。自整角機發送機的轉子偏轉角度，自整角機變壓器偏轉角度，當時輸出的電壓為零；當時，在輸出繞組中的輸出電壓為，其中失調角，即發送機與自整角變壓器轉子的轉角偏差，為最大輸出電壓的有效值?？梢姡ㄟ^控制式自整角機能夠在圖中右端的自整角變壓器繞組中輸出關于兩個轉子轉動角偏差正弦關系的交流電信號。接著，就是將此交流電信號轉換為直流電信號。

三、相敏解調器的選用及其工作原理、接線

在伺服系統中，由于系統的執行元件常采用直流伺服電機，且上述輸出的為交流電信號，因此采用相敏解調器才能實施有效控制。目前，能實現此功能的相敏整流可以用二極管、三極管或集成運放等組成。根據電路的工作原理，可分為開關式、模擬乘法器式和集成芯片等幾種?；谶@幾種的共同效果，從小巧簡潔方便、經濟的角度，本系統選用了由國營691廠生產的LZX1芯片，除此之外還有美國AD公司生產的AD630芯片和MOTOROLA公司生產的MC1496、MC1596等都能達到系統要求。

LZX1芯片工作原理，它由一個包括方波發生器和斬波管在內的相敏解調器和運算放大器組成。經過運算放大器輸出的直流電壓不僅與輸入交流信號電壓幅值成正比，而且與輸入交流信號的相位有如下關系：，其中k為整流系數；為輸入交流電壓幅值；θ為輸入電壓與參考電壓間的相位差。正如圖4，即為芯片斬波器和運算放大器的輸入/輸出波形，很好的反應了LZX1芯片輸出直流信號各時刻波形。下面介紹此芯片的使用接線。

C1為消振電容，容值一般為51pF，耐壓值為63V；C2為濾波電容，一般選用容值為0.1μF、耐壓160V的電容；2腳為參考電壓輸入端，由交流轉換器繞組輸入一個與輸入信號電壓Usr頻率一致的參考電壓，使得獲得的直流電壓Usc的正負極性與Usr的正反相位相對應；1、5腳為交流信號輸入端；9、10腳為直流信號輸出端；8、13端使用正負15V的直流電源供電以使芯片工作；最后，還需在輸入處接入電阻以使輸入電壓限定在芯片工作范圍內（實際為6V）。那么，經過了LZX1芯片后，即獲得了PLC AD模塊所需的直流電信號。

四、PLC選用及程序

在PLC的選用上，本系統選用了FX1S-14MR型號，基于其小巧功能完善的特點，并加入了AD轉換模塊以達到本系統模數轉換的要求。

五、驅動電機

永磁低速同步電機是一種無減速齒輪裝置，由電機直接得到低轉速的新型同步電機。

他們具有以下特點：（1）封閉式結構，運轉平穩，噪音低，工作可靠，使用壽命長，無需維護，尤其適合在某些特殊條件下使用。（2）啟動逆轉以及不同負載時輸入電流比較穩定，可以在頻繁的啟動停止以及逆轉的條件下工作，即使堵轉一不易燒壞。（3）啟動，停止和逆轉的相應時間非常短，一般10-50毫秒以內，因此可以作為伺服電機使用，配合脈沖電源供電還可以作為步進電機使用。（4）若使用變頻電源供電，將能獲得不同的同步轉速，如需更低速還可配專用齒輪箱和專用變頻器。（5）具有自鎖力矩，廣泛應用于儀器儀表，舞臺燈光，醫療機械及機床進給，閥門驅動等。

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[作者簡介]陸晨（1991.1-），男，上海市嘉定區人，大學本科學歷。