淺談機電控制技術的有效應用

【摘 要】隨著時代變遷，我國現代化產業已由早期勞動性密集產業轉為技術性密集產業，在產業升級過程中，機電自動化扮演重要角色，其中精密電機定位的發展對產線設備邁向自動化幫助很大，而電機定位控制的精準度則有賴于伺服控制系統的設計。在這種背景下，本文首先探討了機電自動化的伺服控制系統的發展，進而分析了機電伺服控制技術的架構、應用領域及功能。

【關鍵詞】機電控制；伺服系統；PLC；有效應用

1.機電自動化的伺服控制系統的發展

伺服控制系統是指系統機構能主動精確地執行控制命令，如啟動停止、速度移動、位置控制等。在眾多現代化的設備中，如軸承位置控制器、射出成型、生產線輸送帶、晶片封裝點膠設備、制袋機、卷線機、加工機、X-Y 平臺、工具機、彈簧機、雕刻機、橫編機、送料機、自動倉儲、以及太陽能自動追日系統等，均須依賴電機的精密定位才能完成控制需求。

伺服系統是一種閉環回路的控制方法，主要包含受控體、驅動器及控制器等三部分，而特別設計應用于伺服系統的電機則稱為伺服電機。伺服電機通常被應用于定速、加速及定位控制，其中尤以后者的應用最為廣泛。在控制器的設計上，由于功率半導體元件的發展，使得低成本、高功率的驅動元件備受青睞，這些元件通常可配合數字信號處理器（Digital Signal Processor， DSP）、單晶片微處理器（Single-Chip Microprocessor）、或現場可編程邏輯陣列（Field Programmable Gate Arrays， FPGA）形成完整的控制器架構。上述以高功率元件為主體的控制器雖具有較低成本的優勢，然而，卻容易因雜訊干擾而降低系統的穩定度。因此，提供一種在穩定度上較優于高功率元件的控制器仍值得進一步研究。

近十幾年來，由于工業與科技的蓬勃發展，相關控制理論及其應用已逐漸在工程領域扮演著關鍵角色，其范圍由基本的伺服系統控制到尖端航空與太空科技等，均須依賴先進的控制技術。在相關控制技術發展過程中，智能型控制方法（包含類神經網絡方法、生物遺傳演化法、以及模糊邏輯方法等）對于電機精密定位控制提供另外一種良好的控制策略。因此，結合智能型演算法與高性能的控制器于伺服電機的定位控制為本論文的研究重點。

2.機電伺服控制技術的架構與應用原理

2.1伺服控制系統架構

伺服控制系統架構包含PC-Based VB 監控、可編程控制器、定位模塊、伺服驅動器、伺服電機及高速計數器模塊等。在操作順序上，使用者可于PC-Based VB 監控端下達運轉指令給PLC，PLC 將運轉命令傳送至定位模塊，并借助伺服驅動器驅動伺服電機，使電機依轉速脈沖轉動至設定位置。在伺服驅動器與電機間內建閉回路的PID 控制器，以穩定進行電機的定位控制。高速計數器模塊則主要通過伺服驅動器接收電機轉速脈沖，以提供PC 端即時的運轉信息。

在電機定位控制過程中，伺服驅動系統僅能保證電機能依運轉命令運轉，并無法確保輸送帶能被帶動至指定位置，也即原系統無法修正因輸送帶劣化或長期磨損等因素所造成的位置偏差問題。為改善該缺點，本論文于輸送帶上端裝設三組光感測器，并將信號傳送至PLC，以進一步進行外回路的模糊控制。模糊控制的推論主要于PLC中進行，以提供輸送帶的位置修正量。

2.2應用原理

在PLC技術的應用中，其高速的計數裝置與編碼系統需要整合到一起才能發揮出較高的效率，只有這樣，才能確保在工業自動化的控制中實現對位置與長度等的具體測量。當前，很多PLC裝置都具有性能十分客觀的計數裝置，如三菱系列CPU226型PLC有6個高速計數器。高速計數裝置能夠準確記載脈沖寬度小于PLC裝置周期的超高速脈沖，并且無需額外使用具有特殊功能的元器件，就可以確保處理的頻率達到幾百千赫茲的脈沖信號。旋轉編碼裝置能夠將電動機軸上的轉換成脈沖值。通過對PLC的計數裝置與旋轉編碼裝置的充分應用，就可以做到對三相交流異步電機的精確定位控制，這個原理及時借助與電動機同軸相連的光電旋轉編碼器將電機角位移轉換成脈沖值，經由PLC的高速計數器來統計編碼器發出的脈沖個數，從而實現定位控制。PLC控制程序流程可分成五大部分：軸控模塊記憶緩沖區（BFM）設定；手動/自動模式；位置/速度存取；定位/定速運轉；伺服啟動（SERVO ON）、組別互鎖、定座標暫停/繼續運轉、暫停/繼續運轉、急停（STOP）。

3.機電伺服控制系統的應用領域與功能

目前對于全數字化控制的方法，近年來各PLC 制造公司也已開發出多種模塊，配合PLC 應用于伺服電機的定位控制，如軸控（MOTION）模塊、數字轉類比（D/A）模塊、PID 模塊等，日系PLC制造公司如三菱電機（MITSUBISHI）、歐姆龍（OMRON）等，及歐美系PLC 制造公司如ALLEN-BRADLEY、SIEMENS 等。滑塊四連桿結構伺服定位控制的研究，是應用PID 控制、模糊控制、模糊順滑模式控制的控制方法對滑塊四連桿機構做定位控制，達到滑塊四連桿機構特定角度的定位控制，研究三種控制器在實際機構上的實用性和性能。選用機械加工機中最常見的伺服電機帶動滑塊四連桿機構，以求達成定位的動作。對于生產設備的定位控制應用，目前也非常普遍如石材加工設備的控制系統研究，在石材工業中經常被應用到的石材大板連續式研磨機、花崗石高精密鉆孔復合研磨機以及CNC 石材異形加工機等三件控制系統的改善方案。其中，利用三菱電機的FX3U 系列PLC為主機的控制系統用于石材大板連續式研磨機控制系統改善。該主機同樣地應用在三軸（X、Y、Z）伺服精密定位模塊的控制上，配合AD/DA 類比數字模塊監控主軸電機的運轉，完成花崗石精密鉆孔復合研磨機的控制系統。

現今產業界大部分已使用電腦整合制造系統（CIM），再加上網絡通訊應用功能，可將生產制程自動化與資料功能自動化，做一個高效率的整合。例如，在關于遠距離監控的成形制程的研究作品中，應用了PC-Based 控制器與圖控系統，并構建起了具有三個層次的網絡體系框架，進而以射出成形機生產制程為驗證載具，在充分應用電子計算機技術能力的前提下，實施遠距離的監控技術開發研究，并通過PLC在網絡環境中的應用限制，拓展了遠距離維護與診斷工程的范圍。遠距監控系統經實驗證實可以通過區域網絡與廣域網絡執行遠距設備的操作與性能監視，全程通過網絡攝影機進行即時影像傳輸。由于電腦程序語言快速發展，圖形控制界面也已成為遠端監控的操作界面規劃主流，再配合PLC執行設備動作構成核心控制系統。例如，圖形監控在設備中央監控方面的應用研究，就是采用PLC與應用Visual Basic 撰寫電腦與PLC的通訊協定程序，并設計圖形化人機界面，通過網絡應用于工廠設備監視及控制模擬。借助PLC技術，進行現場空壓機、結晶機、套標機等設備資料獲取及傳輸，在圖形界面下即時記錄并儲存所獲取的信號，圖形化程序將各類信號顯示于個人電腦上，并做適當警報與事件處理、故障判斷及排除、趨勢圖表、報表打印等，以達到對加工過程實施中央監控目的。 [科]

【參考文獻】

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