淺談機(jī)電控制技術(shù)的有效應(yīng)用

【摘 要】隨著時代變遷，我國現(xiàn)代化產(chǎn)業(yè)已由早期勞動性密集產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)為技術(shù)性密集產(chǎn)業(yè)，在產(chǎn)業(yè)升級過程中，機(jī)電自動化扮演重要角色，其中精密電機(jī)定位的發(fā)展對產(chǎn)線設(shè)備邁向自動化幫助很大，而電機(jī)定位控制的精準(zhǔn)度則有賴于伺服控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。在這種背景下，本文首先探討了機(jī)電自動化的伺服控制系統(tǒng)的發(fā)展，進(jìn)而分析了機(jī)電伺服控制技術(shù)的架構(gòu)、應(yīng)用領(lǐng)域及功能。

【關(guān)鍵詞】機(jī)電控制；伺服系統(tǒng)；PLC；有效應(yīng)用

1.機(jī)電自動化的伺服控制系統(tǒng)的發(fā)展

伺服控制系統(tǒng)是指系統(tǒng)機(jī)構(gòu)能主動精確地執(zhí)行控制命令，如啟動停止、速度移動、位置控制等。在眾多現(xiàn)代化的設(shè)備中，如軸承位置控制器、射出成型、生產(chǎn)線輸送帶、晶片封裝點(diǎn)膠設(shè)備、制袋機(jī)、卷線機(jī)、加工機(jī)、X-Y 平臺、工具機(jī)、彈簧機(jī)、雕刻機(jī)、橫編機(jī)、送料機(jī)、自動倉儲、以及太陽能自動追日系統(tǒng)等，均須依賴電機(jī)的精密定位才能完成控制需求。

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

近十幾年來，由于工業(yè)與科技的蓬勃發(fā)展，相關(guān)控制理論及其應(yīng)用已逐漸在工程領(lǐng)域扮演著關(guān)鍵角色，其范圍由基本的伺服系統(tǒng)控制到尖端航空與太空科技等，均須依賴先進(jìn)的控制技術(shù)。在相關(guān)控制技術(shù)發(fā)展過程中，智能型控制方法（包含類神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法、生物遺傳演化法、以及模糊邏輯方法等）對于電機(jī)精密定位控制提供另外一種良好的控制策略。因此，結(jié)合智能型演算法與高性能的控制器于伺服電機(jī)的定位控制為本論文的研究重點(diǎn)。

2.機(jī)電伺服控制技術(shù)的架構(gòu)與應(yīng)用原理

2.1伺服控制系統(tǒng)架構(gòu)

伺服控制系統(tǒng)架構(gòu)包含PC-Based VB 監(jiān)控、可編程控制器、定位模塊、伺服驅(qū)動器、伺服電機(jī)及高速計(jì)數(shù)器模塊等。在操作順序上，使用者可于PC-Based VB 監(jiān)控端下達(dá)運(yùn)轉(zhuǎn)指令給PLC，PLC 將運(yùn)轉(zhuǎn)命令傳送至定位模塊，并借助伺服驅(qū)動器驅(qū)動伺服電機(jī)，使電機(jī)依轉(zhuǎn)速脈沖轉(zhuǎn)動至設(shè)定位置。在伺服驅(qū)動器與電機(jī)間內(nèi)建閉回路的PID 控制器，以穩(wěn)定進(jìn)行電機(jī)的定位控制。高速計(jì)數(shù)器模塊則主要通過伺服驅(qū)動器接收電機(jī)轉(zhuǎn)速脈沖，以提供PC 端即時的運(yùn)轉(zhuǎn)信息。

在電機(jī)定位控制過程中，伺服驅(qū)動系統(tǒng)僅能保證電機(jī)能依運(yùn)轉(zhuǎn)命令運(yùn)轉(zhuǎn)，并無法確保輸送帶能被帶動至指定位置，也即原系統(tǒng)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(diǎn)，本論文于輸送帶上端裝設(shè)三組光感測器，并將信號傳送至PLC，以進(jìn)一步進(jìn)行外回路的模糊控制。模糊控制的推論主要于PLC中進(jìn)行，以提供輸送帶的位置修正量。

2.2應(yīng)用原理

在PLC技術(shù)的應(yīng)用中，其高速的計(jì)數(shù)裝置與編碼系統(tǒng)需要整合到一起才能發(fā)揮出較高的效率，只有這樣，才能確保在工業(yè)自動化的控制中實(shí)現(xiàn)對位置與長度等的具體測量。當(dāng)前，很多PLC裝置都具有性能十分客觀的計(jì)數(shù)裝置，如三菱系列CPU226型PLC有6個高速計(jì)數(shù)器。高速計(jì)數(shù)裝置能夠準(zhǔn)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(dá)到幾百千赫茲的脈沖信號。旋轉(zhuǎn)編碼裝置能夠?qū)㈦妱訖C(jī)軸上的轉(zhuǎn)換成脈沖值。通過對PLC的計(jì)數(shù)裝置與旋轉(zhuǎn)編碼裝置的充分應(yīng)用，就可以做到對三相交流異步電機(jī)的精確定位控制，這個原理及時借助與電動機(jī)同軸相連的光電旋轉(zhuǎn)編碼器將電機(jī)角位移轉(zhuǎn)換成脈沖值，經(jīng)由PLC的高速計(jì)數(shù)器來統(tǒng)計(jì)編碼器發(fā)出的脈沖個數(shù)，從而實(shí)現(xiàn)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(qū)（BFM）設(shè)定；手動/自動模式；位置/速度存取；定位/定速運(yùn)轉(zhuǎn)；伺服啟動（SERVO ON）、組別互鎖、定座標(biāo)暫停/繼續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)、暫停/繼續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)、急停（STOP）。

3.機(jī)電伺服控制系統(tǒng)的應(yīng)用領(lǐng)域與功能

目前對于全數(shù)字化控制的方法，近年來各PLC 制造公司也已開發(fā)出多種模塊，配合PLC 應(yīng)用于伺服電機(jī)的定位控制，如軸控（MOTION）模塊、數(shù)字轉(zhuǎn)類比（D/A）模塊、PID 模塊等，日系PLC制造公司如三菱電機(jī)（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(jié)構(gòu)伺服定位控制的研究，是應(yīng)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(jī)構(gòu)做定位控制，達(dá)到滑塊四連桿機(jī)構(gòu)特定角度的定位控制，研究三種控制器在實(shí)際機(jī)構(gòu)上的實(shí)用性和性能。選用機(jī)械加工機(jī)中最常見的伺服電機(jī)帶動滑塊四連桿機(jī)構(gòu)，以求達(dá)成定位的動作。對于生產(chǎn)設(shè)備的定位控制應(yīng)用，目前也非常普遍如石材加工設(shè)備的控制系統(tǒng)研究，在石材工業(yè)中經(jīng)常被應(yīng)用到的石材大板連續(xù)式研磨機(jī)、花崗石高精密鉆孔復(fù)合研磨機(jī)以及CNC 石材異形加工機(jī)等三件控制系統(tǒng)的改善方案。其中，利用三菱電機(jī)的FX3U 系列PLC為主機(jī)的控制系統(tǒng)用于石材大板連續(xù)式研磨機(jī)控制系統(tǒng)改善。該主機(jī)同樣地應(yīng)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(shù)字模塊監(jiān)控主軸電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)，完成花崗石精密鉆孔復(fù)合研磨機(jī)的控制系統(tǒng)。

現(xiàn)今產(chǎn)業(yè)界大部分已使用電腦整合制造系統(tǒng)（CIM），再加上網(wǎng)絡(luò)通訊應(yīng)用功能，可將生產(chǎn)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(guān)于遠(yuǎn)距離監(jiān)控的成形制程的研究作品中，應(yīng)用了PC-Based 控制器與圖控系統(tǒng)，并構(gòu)建起了具有三個層次的網(wǎng)絡(luò)體系框架，進(jìn)而以射出成形機(jī)生產(chǎn)制程為驗(yàn)證載具，在充分應(yīng)用電子計(jì)算機(jī)技術(shù)能力的前提下，實(shí)施遠(yuǎn)距離的監(jiān)控技術(shù)開發(fā)研究，并通過PLC在網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中的應(yīng)用限制，拓展了遠(yuǎn)距離維護(hù)與診斷工程的范圍。遠(yuǎn)距監(jiān)控系統(tǒng)經(jīng)實(shí)驗(yàn)證實(shí)可以通過區(qū)域網(wǎng)絡(luò)與廣域網(wǎng)絡(luò)執(zhí)行遠(yuǎn)距設(shè)備的操作與性能監(jiān)視，全程通過網(wǎng)絡(luò)攝影機(jī)進(jìn)行即時影像傳輸。由于電腦程序語言快速發(fā)展，圖形控制界面也已成為遠(yuǎn)端監(jiān)控的操作界面規(guī)劃主流，再配合PLC執(zhí)行設(shè)備動作構(gòu)成核心控制系統(tǒng)。例如，圖形監(jiān)控在設(shè)備中央監(jiān)控方面的應(yīng)用研究，就是采用PLC與應(yīng)用Visual Basic 撰寫電腦與PLC的通訊協(xié)定程序，并設(shè)計(jì)圖形化人機(jī)界面，通過網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用于工廠設(shè)備監(jiān)視及控制模擬。借助PLC技術(shù)，進(jìn)行現(xiàn)場空壓機(jī)、結(jié)晶機(jī)、套標(biāo)機(jī)等設(shè)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?qū)⒏黝愋盘栵@示于個人電腦上，并做適當(dāng)警報(bào)與事件處理、故障判斷及排除、趨勢圖表、報(bào)表打印等，以達(dá)到對加工過程實(shí)施中央監(jiān)控目的。 [科]

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