伺服電機驅動中高速單脈沖隔離轉換模塊等效替換電路的設計

伍水梅

（廣東省國防科技技師學院，廣東 廣州 510510）

PLC已在自動控制系統中廣泛應用各種機械工業(yè)、汽車工業(yè)、鋼鐵工業(yè)電力工業(yè)等領域，其應用的深度和廣度已經成為衡量一個國家工業(yè)自動化程度高低的標志，其對伺服電機的控制更是大家研究的一個熱點[1-4].伺服電機無論是在轉矩上還是速度上，都有很大的過載能力，其最大轉矩可達到額定轉矩的三倍，能有效克服負載的慣性力矩，是自動控制系統中的一個主要執(zhí)行元件[5，6].伺服電機通過脈沖的轉換進行定位，當脈沖信號為零時無自轉現象，因為伺服電機擁有旋轉編碼器，使其本身具有脈沖產生功能，對應電機所轉過的角度，它會產生對應數量的脈沖，與電機所接受到的脈沖形成一個閉環(huán)系統，從而對電機轉動實現精確定位[1，6，7]，目前最先進的伺服電機精度可達0.001mm，所以伺服電機驅動在自動控制系統中應用廣泛，特別是在傳動領域中已占有領先地位.

伺服電機的驅動是用伺服控制器來控制的，所以要使伺服電機精確運轉，必須有一個與之相匹配的伺服控制器[6，8].不同系列伺服控制器的PLC-CPU有所不同，主要是各自的輸出控制電流流向不一樣，不能使用S7-200PLC的CPU直接驅動三菱伺服控制器，通常需要在兩者間加一個高速單脈沖隔離轉換模塊.但試驗表明，即使采用高速單脈沖隔離轉換模塊，控制系統的精度也不高，而且該轉換模塊價格也高.因此，本文以三菱系列和西門子系列的伺服控制器PLC-CPU為研究對象，研究其驅動伺服電機時所用的高速脈沖隔離轉換模塊的等效替換電路，實現對伺服電機的精確控制.

1 以高速脈沖隔離轉換模塊組成的控制系統的分析

1.1 西門子S7-200PLC系列的CPU選型

西門子S7-200PLC系列屬于小型PLC自動化系統，型號包括221、222CN、224CN、224XP、224 XPSI和226CN等系列.它有14個數字量輸入，10個數字量輸出，模擬電位器2個；電源電壓DC24V/AC 100-230V，輸出最小電壓DC20V；既可接漏型，也可接源型[8].這里說的漏型，是指輸入信號由PLC內部提供，所有輸入信號的一端匯總到輸入公共連接端COM的輸入方式，也稱為“匯點輸入”.而源型是指由外部提供輸入信號電源或使用PLC內部給輸入回路的電源，全部輸入信號為“有源”信號，并獨立輸入PLC的輸入連接形式.日系的PLC伺服控制器大多輸出為NPN型，也就是低電平有效，而西門子的所有型號中除了S7-224XPSI外大都是PNP型的，即高電平有效[10].從拓展模塊及輸入/輸出考慮，本文采用了224CN.

1.2 三菱伺服控制器選型

在本控制系統中選用三菱公司的MR-J2S-10A1伺服控制器.該控制器主要有位置控制、速度控制、轉矩控制三種模式[11].本文主要采用位置控制模式，也就是通過高速脈沖串控制電機的速度和方向，其位置控制的分辨率達到131072脈沖/轉.電源采用AC200～230V，50/60Hz或單相AC110V，50/60Hz，提供的脈沖串形式可以是兩路都為脈沖的形式，也可以是一路為脈沖，另一路為方向的形式，本控制系統以實現工作臺的往返為主，因此選擇第二種，一路為脈沖，另一路為方向的脈沖驅動方式.

1.3 高速單脈沖隔離轉換模塊的選型

由于S7-200PLC的224CN系列為源型輸入，具PNP晶體管輸出特性，而大部分的三菱PLC均屬于漏型，兩者在電流方向上是相反的，若直接驅動三菱伺服控制器，電機肯定不能正常運轉.為解決這個問題，兩者間必須加一個高速單脈沖隔離轉換模塊.該模塊的主要功能是抗干擾，提高信號質量，保證信號正常輸出；同時具有信號隔離、分配、轉換功能.PLC控制設備加裝該設備后，兩種設備的信號得以匹配，使西門子的CPU輸出信號正常傳到三菱伺服控制器，對伺服電機進行準確控制.通過參數核定，最后選取高速單脈沖隔離轉換模塊HSZ04H，如圖1所示.

圖1 高速單脈沖隔離轉換模塊

1.4 控制系統的試驗情況

將S7-200PLC 224CN、三菱公司的MR-J2S-10A1伺服控制器和高速單脈沖隔離轉換模塊HSZ04H組成伺服控制系統，并進行伺服電機的控制試驗.當將編寫好的程序輸入S7-200PLCCPU，正確安裝CPU224、高速單脈沖隔離轉換模塊、三菱伺服控制器和伺服電機間的接線，實際運行時發(fā)現高速單脈沖隔離轉換模塊對CPU224的輸出頻率有一定影響，伺服電機轉速不穩(wěn)定，有失真現象.當頻率過高時，CPU224CN輸出大量脈沖，伺服控制器出錯，提示錯誤參數16，手動時伺服電機可正常運行，自動時卡死；將CPU清空，重新下載，現象不變，檢查電機接線，參數重新設置均不能妥善解決.考慮該故障可能與高速單脈沖隔離轉換模塊有關，且該模塊在本控制系統中安裝不便，使用過程中經常松動，造成系統運行不順.因此，需研制一個能替換高速單脈沖隔離轉換模塊并且能解決以上問題的等效電路.

2 等效電路的研制

2.1 電壓、電流的取決

要實現高速單脈沖隔離轉換模塊的電流替換最適當的選擇就是三極管.根據半導體的組成方式，晶體三極管分為NPN型和PNP型兩種，主要作用包括放大、反相、開關等，NPN型的晶體三極管電流流向是從基極流入，PNP型的晶體三極管電流流向是從基極流出，集電極均為反相輸出[12].

要把該兩種設備放在同一控制系統中工作，必須讓電流可以流通，即符合各設備的電流方向.西門子S7-200PLC-CPU 224CN為源型PNP的晶體管電流流入方式，而三菱伺服控制器為漏型PNP的電流流入方式[11].因此，要把西門子CPU224CN和三菱伺服控制器連接在一起，可以選取NPN型的晶體三極管，將上一級CPU和下一級伺服控制器的電流流向理順.

圖2 電路等效替換實物圖

除了要考慮電流的流向，還要考慮電路的工作電壓，工作電流.本控制系統中提供的輸入電壓包括CPU224CN的工作電壓DC24V，電流280mA，伺服電機工作電壓AC110V；參考各三極管的極性，電壓與電流，選取9013作為控制系統的主要元件，實現電流的反相和開關作用.9013晶體三極管為NPN型，額定電壓20V，額定電流625mA.為保證晶體三極管正常工作，在各極接入適當電阻.試驗測定基極電阻為110×107Ω、發(fā)射極電阻為100×103Ω、集電極電阻為20Ω 時，波形失真消除，輸出穩(wěn)定，用在實際電路中，伺服電機工作正常，達到替換的要求目的，其電路如圖2所示.

2.2 電機運行方向的實現

控制電路制作過程中，還有一個問題就是伺服電機的換向問題，原來使用高速單脈沖隔離轉換模塊時程序中設定方向由CPU224CN的Q0.1口輸出，改變程序中M20.0的值可改變電機的轉向，使用自制電路后為方便方向的改變將程序中的M20.0改成開關I1.0，開關接通時Q0.1得到的是高電平，電機正轉，開關斷開時Q0.1得到的是低電平，電機反轉，無需在程序中更改M20.0的值，方便操作（圖3）.

圖3 程序替換

2.3 電源和接地的設置

控制電路中由于晶體三極管V1基極與CPU224CN的輸出端口Q0.0相接，所以工作電源可以與之共享，無需外接.但電路中利用了兩個晶體三極管同時工作，無可靠接地則電路無法工作，所以必須從電源端引入接地，形成回路，讓電路正常工作.在替代電路板上除了引出對應的輸入口I1、I2讓電路板接收CPU發(fā)出的信號，輸出口V01、V02傳遞給伺服控制器輸出脈沖外，就是引出相應的GND[13].

該等效電路中使用元器件都是平時常用的電子器材，價格便宜，購置方便，且大部分元件均可替代，沒有太高的精度要求，如電路中使用的晶體三極管9013就可用9011、9013、9014、8050、2N5551、C1008等來替換，性能并無太大差異.

3 等效電路的伺服控制系統

以等效電路替換高速單脈沖隔離轉換模塊HSZ04H，組成新的伺服控制系統，如圖4所示.試驗表明，該伺服控制系統完全可以實現高速單脈沖隔離轉換模塊的應用要求，而且消除了采用高速單脈沖隔離轉換模塊時的失真等故障現象，能夠滿足伺服控制的精度要求.

圖4 控制系統實物圖

4 結束語

本文所研制的等效電路原理簡單，制作簡便，應用性較強，已在西門子師資培訓中投入使用，效果顯著.現在大部分的大專院校里配置的都是三菱系列的PLC系統，有了該替換電路后，學習者也可以單純購買西門子S7-200PLC-CPU，加上原有的三菱伺服驅動進行研究學習，使設備得到最大程度的使用，減少浪費.

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