基于PLC輸出控制的伺服放大器接口電路研究與設計*

季　霆，周根榮，呂　勇，吳　曉

(南通大學 電氣工程學院，江蘇 南通226000)

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基于PLC輸出控制的伺服放大器接口電路研究與設計*

季霆，周根榮，呂勇，吳曉

(南通大學 電氣工程學院，江蘇 南通226000)

PLC和伺服放大器由于控制電流流向的不同可分為源型和漏型。文章分別對相同類型和不同類型的PLC—伺服放大器接口連接方式進行研究，并利用晶體三極管9013、光電耦合器TLP521-4和4N29M作為不同類型連接接口電路的主要元件，通過分析及實驗驗證僅4N29M能夠滿足PLC—伺服放大器信號轉換的精度與頻率要求。最后以模塊式柔性自動化生產線實訓系統分類單元為例，利用4N29M為主要元器件設計西門子CPU226PLC和三菱MR-J3-10A型伺服放大器之間的接口電路，經實際使用，該方案安全可靠。

伺服放大器；可編程控制器；接口電路；光電耦合器

引用格式：季霆，周根榮，呂勇，等. 基于PLC輸出控制的伺服放大器接口電路研究與設計[J].微型機與應用，2016,35(17)：7-10.

0　引言

柔性制造系統(Flexible Manufacturing System，FMS)是由統一的信息控制系統、物料儲運系統和一組數字控制加工設備組成的自動化生產制造系統。隨著科技的日益進步，大量的工廠、企業向著自動化、智能化的方向發展，柔性制造系統受到越來越廣泛的應用。

在柔性制造系統中，伺服電機以其較大的過載能力以及高精度成為了系統首選的傳動裝置。伺服電機的驅動是由伺服放大器來控制的，而伺服放大器通常還需要系統主控制器加以控制，主控制器一般為可編程控制器(PLC)[1]。目前市面上有較多的PLC—伺服放大器成套解決方案，但是，一些企業在實際工程中由于某些原因可能無法使用這些成套解決方案，這就可能需要不同公司或者不同系列的PLC與伺服放大器進行配合使用[2]。

根據PLC與伺服放大器各自控制輸出/輸入點電流流向的不同，可將其分為源型和漏型。所謂的源型和漏型是對于端口點的電流方向來考慮的，對輸出點而言電流流出端口點的就是源型，反之就是漏型，一般源型輸出點的公共端接電源的“+”；對輸入點而言電流流入端口點的就是源型，此時公共端統一流出電流，反之公共端統一流入電流，即為漏型，一般源型輸入點的公共端接電源的“-”[3]。因此，不同廠商生產的不同型號的PLC與伺服放大器由于源型和漏型的差別，在相互配合使用時，就不能只做簡單的連接，還需要考慮相互間端口類型轉換的問題，否則可能導致PLC—伺服放大器系統無法正常運行，甚至設備的損壞。

本文針對PLC和伺服放大器由于控制電流流向的差別而產生的問題，對PLC—伺服放大器接口電路進行研究與分析，并以模塊式柔性自動化生產線實訓系統分類單元為實驗平臺，設計基于PCL輸出控制的伺服放大器接口電路，最終對研究結果加以驗證。

1　接口電路分析

PLC和伺服放大器的端口由于控制電流流向的差別分為源型和漏型，它們之間的連接方式可以分為下列4種：源型輸出—源型輸入連接(源—源連接)、漏型輸出—漏型輸入連接(漏—漏連接)、源型輸出—漏型輸入連接(源—漏連接)和漏型輸出—源型輸入連接(漏—源連接)。

若PLC和伺服放大器同時屬于源型或者漏型(源—源連接或漏—漏連接)， PLC輸出信號的電流方向與伺服放大器輸入信號的電流方向相同，則它們之間可以直接連接。以三菱公司生產的PLC和伺服放大器為例，為漏—漏連接方式，如圖1所示[4]。一般來說，相同廠商提供的成套解決方案都屬于該種類型，方案中PLC輸出信號電流值與伺服放大器輸入信號電流值大小以及方向相互匹配。但是，不同廠商的設備之間若類型相同，輸入輸出電流值不相匹配，為了防止電流過大燒壞內部的發光二極管，連接時則需在接口處添加上拉(下拉)電阻[5]。

圖1　三菱PLC—伺服放大器連接圖

若PLC和伺服放大器分別屬于不同的類型(源—漏連接或漏—源連接)，按照圖1方法直接連接，將因無法形成電流回路而導致無法正常驅動伺服電機。因此，為了能夠使分屬于不同類型的PLC和伺服放大器進行連接，尤其是對于信號要求高速變化的脈沖串輸入口實現連接，需要對PLC—伺服放大器不同類型端口電路的轉換問題進行分析研究。

圖2　基于晶體三極管的接口電路原理圖

文獻[6]對上述問題進行了初步研究，該文獻以西門子PLC和三菱伺服放大器為例，西門子PLC一般為源型輸出，即高電平有效，三菱伺服放大器為漏型，低電平有效，因此無法直接連接。文獻中選取NPN型晶體三極管(9013)為接口電路的主要元件，利用晶體三極管集電極電流受基極電流控制的性能，將西門子PLC的輸出信號轉換成可供三菱伺服放大器使用的輸入信號。基于NPN型晶體三極管的接口電路原理圖如圖2所示，原理圖中電流由PLC的輸出端流出，由接口電路左端三極管基極端流入，經過兩個三極管信號由右端三極管集電極端輸出，從而實現源—漏連接輸入輸出信號轉換。

利用NPN型晶體三極管作為主要元件的接口電路雖然在理論上能夠實現PLC與伺服放大器之間的信號轉換，但是，在實際應用中由于三極管靜態工作點選取不合適或者輸入信號太大，會導致信號產生失真。另一方面，NPN型晶體三極管9013的放大倍數β一般在80～200，每一批次的三極管放大倍數會有所偏差，經過兩級放大電路后，偏差會很大，調整電路中合適的參數非常麻煩。因此，文獻[6]所述方法不能滿足信號轉換的需求。

為了解決上述問題，選擇光電耦合器作為接口電路的主要元件。目前，市面上可供選擇的光電耦合器種類繁多，TOSHIBA公司生產的TLP521-4和FAIRCHILD公司生產的4N29M是兩款比較常用且符合需求的光電耦合器。

圖3　基于TLP521-4的接口電路原理圖

TLP521-4是一款使用比較廣泛且性能優良的固定延時光電耦合器[7]，而4N29M是一款6引腳DIP通用光敏達靈頓光電耦合器。利用TLP521-4芯片和4N29M芯片作為主要元件的接口電路原理圖分別如圖3、圖4所示，PLC端口的輸出信號經由一片光電耦合器轉換后由伺服放大器輸入端進入，從而完成源—漏連接或者漏—源連接信號之間的轉換。

圖4　基于4N29M的接口電路原理圖

在伺服電機的實際應用中，對其精度以及轉速有一定的要求，往往需要使用PLC的高速脈沖輸出信號驅動伺服放大器，因此，對于不同類型(源—漏連接或者漏—源連接)轉換接口電路的頻率要求比較高。為了驗證TLP521-4和4N29M是否能夠滿足高頻信號轉換的要求，需要對上述兩種方案進行試驗。

根據圖3、圖4的電路原理圖，在輸入端分別加入頻率為2 kHz、5 kHz和10 kHz的脈沖信號，利用示波器可在輸出端獲得波形，如圖5(a)、(b)、(c)分別為基于TLP521-4的接口電路輸入頻率為2 kHz、5 kHz、10 kHz時所獲得的波形圖，上方為輸入波形，下方為輸出波形。由波形圖可以看出，當輸入脈沖信號頻率在2 kHz時該接口電路信號轉換正常，當頻率增大至5 kHz時波形已經開始失真，到達10 kHz時失真現象已經比較嚴重。因此，以TLP521-4作為主要元件的接口電路只適用于低頻(小于5 kHz)信號的轉換。

圖5　基于TLP521-4接口電路的輸入輸出波形圖

而4N29M的帶寬可達30 kHz[8]，圖6為基于4N29M的接口電路輸入端加脈沖頻率為20 kHz時的波形圖，由波形可得，4N29M可以完成高頻信號的轉換。因此，對于高頻信號轉換的性能，4N29M是優于TLP521-4的。

圖6　基于4N29M接口電路的輸入輸出波形圖

2　基于4N29M的接口電路設計

在模塊式柔性自動化生產線實訓系統分類單元中采用了西門子CPU226PLC對三菱的MR-J3-10A型伺服放大器進行控制，其中西門子CPU226PLC為源型輸出(即高電平有效)，三菱的MR-J3-10A型伺服放大器采用集電極開路方式輸入，屬于漏型輸入(即低電平有效)。因此，需要設計一個源—漏連接接口電路，實現西門子CPU226PLC和三菱MR-J3-10A伺服放大器之間的信號轉換。由于S7-200系列PLC(除CPU224XP)高速脈沖輸出口的最高頻率為20 kHz[7]，為了實現柔性制造系統中高精度的要求，接口電路需要具有高頻轉換的功能，因此選擇4N29M作為接口電路的主要元件。

圖7　4N29M電壓VF與電流IF關系曲線

圖7為電壓VF與電流IF的關系曲線，其中VF為4N29M芯片輸入端(ANODE端)正向輸入電壓，IF為輸入端電壓為VF時LED的正向電流，一般情況下IF取10 mA，那么由VF—IF關系曲線可得VF的值約為1.2 V。西門子PLC輸出端口5 V供電，因此西門子PLC高速脈沖輸出端輸出電壓VOUT值為5 V。按照圖4基于4N29M的接口電路原理圖設計接口電路， 4N29M芯片1號引腳(ANODE端)與西門子PLC高速脈沖輸出端之間連接時不能直接連接，需要加入一個電阻R1，2號引腳(CATHODE端)接地。根據基爾霍夫電壓定律可得：

VF+R1×IF=VOUT

(1)

由式(1)可計算出R1≈380 Ω，在常用電阻規格表中查詢相近的電阻，選擇360 Ω精度為5%的碳膜電阻作為R1。

西門子PLC輸出信號經由4N29M芯片ANODE端輸入，由COLLECTOR端輸出與三菱MR-J3-10A伺服放大器PP、NP和PG、NG端相連。三菱MR-J3-10A型伺服放大器接口需用DC 24 V±10%、300 mA的電源供電，300 mA為使用所有輸入輸出信號時的值，而4N29M的集電極-發射極飽和電壓VCE(SAT)典型值為1.0 V ，因此COLLECTOR端與三菱MR-J3-10A伺服放大器也不能直接連接，需要增加一個上拉電源VCC和上拉電阻R2。根據基爾霍夫電壓定律和電流可得：

(2)

其中VCC取24 V，IC為集電極輸出電流取10 mA，IIN為三菱MR-J3-10A伺服放大器輸入電流取300 mA，帶入式(2)可計算出R2≈79 Ω。在常用電阻規格表中查詢相近的電阻，選擇75 Ω精度為5%的碳膜電阻作為R2。

基于4N29M的接口設計電路圖如圖8所示，電路圖中包含4片4N29M芯片，西門子PLC的Q0.0～Q0.3端口輸出信號分別接入4N29M芯片ANODE端，信號經由4N29M芯片轉換后，由4N29M芯片COLLECTOR端分別輸出至兩個三菱伺服放大器輸入PP端和NP端。

根據上述設計電路圖繪制電路板，接入柔性自動化生產線實訓系統分類單元中。在STEP7 MicroWIN軟件中編寫驗證程序，使伺服電機做往復運動，從而驗證該接口轉換電路的穩定性和可靠性。試驗證明，在連續工作情況下，西門子PLC和三菱伺服放大器并沒有出現任何故障，因此可以說明該接口電路模塊能夠實現源型—漏型的輸入輸出信號相互轉換，且系統是安全可靠的。

圖8　基于4N29M的接口電路圖

3　結束語

本文針對PLC和伺服放大器端口由于源型和漏型的差別而產生的問題，對PLC—伺服放大器4種連接方式進行了研究與分析。對于同類型PLC和伺服放大器可直接相連接，對于不同類型連接需要加入PLC—伺服放大器接口電路才能夠實現信號轉換。通過對文獻[6]所設計的接口電路與基于TLP521-4和4N29M接口電路的對比分析和實驗驗證得出，只有基于4N29M的接口電路可以滿足PLC—伺服放大器高精度、高頻率的轉換要求。最后，以模塊式柔性自動化生產線實訓系統分類單元為例，利用4N29M為主要元器件設計西門子CPU226PLC和三菱的MR-J3-10A型伺服放大器之間的接口電路，并通過實驗驗證該方案是安全可靠的。

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Research and design of servo amplifier interface circuit based on PLC output control

Ji Ting，Zhou Genrong，Lv Yong，Wu Xiao

(School of Electrical Engineering，Nantong University，Nantong 226000，China)

Because of the difference of control current flows, PLC and servo amplifier can be divided into source type and sink type. This paper studied on the same types and the different types of PLC-servo amplifier interface connection mode, and utilized transistor (9013) and optocoupler (TLP521-4 and 4N29M) as main components of different interface circuit. Through series of analysis and experimental verification, only 4N29M can meet the requirements of precision and frequency that signal conversion between PLC and servo amplifier. Taking classification unit in modular Flexible Manufacturing System as an example, this paper utilized 4N29M as main components to design an interface circuit which can transform signals between SIEMENS CPU226PLC and MITSUBISHI servo amplifier MR-J3-10A. Practical application confirms the project is safe and reliable.

servo amplifier；PLC；interface circuit；optocoupler

南通大學教學改革課題(2015C01)

TP23

ADOI： 10.19358/j.issn.1674- 7720.2016.17.002

2016-06-06)

季霆(1987-)，男，碩士研究生，助理實驗師，主要研究方向：電氣自動化，汽車電子。