PLC控制伺服電機(jī)的應(yīng)用設(shè)計(jì)探討

王家樂（上海日立電器有限公司,上海　201206）

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PLC控制伺服電機(jī)的應(yīng)用設(shè)計(jì)探討

王家樂
（上海日立電器有限公司,上海201206）

摘 要：本文將從PLC概念、系統(tǒng)構(gòu)成等入手，深入探討PLC控制伺服電機(jī)的應(yīng)用設(shè)計(jì)。

關(guān)鍵詞：PLC；伺服電機(jī)；應(yīng)用設(shè)計(jì)

0　前言

近年來，隨著科學(xué)技術(shù)不斷發(fā)展，伺服技術(shù)不斷成熟，它被更多的應(yīng)用到智能控制、自動(dòng)控制領(lǐng)域，成為現(xiàn)代裝備、自動(dòng)化設(shè)備等不可缺少的一項(xiàng)重要技術(shù)。相比較一般變頻調(diào)速電機(jī)而言，伺服電機(jī)不但能夠?qū)崿F(xiàn)精準(zhǔn)的速度控制，而且能夠?qū)崿F(xiàn)精準(zhǔn)的角度（位置）控制，具有較強(qiáng)的動(dòng)態(tài)特點(diǎn)。而PLC以其技術(shù)成熟、性能穩(wěn)定等優(yōu)勢，應(yīng)用于伺服電機(jī)控制系統(tǒng)中，能夠提高其整體性能。

1　PLC概述

PLC，是指一種可編程的控制器，通過執(zhí)行內(nèi)部預(yù)存的程序?qū)崿F(xiàn)用戶指令的邏輯運(yùn)算及順序控制，并通過數(shù)字或者模擬等形式實(shí)現(xiàn)機(jī)械動(dòng)作。PLC主要由電源、中央處理單元及通訊模塊等方面構(gòu)成[1]。其中CPU作為PLC的核心，起著神經(jīng)中樞的重要作用。當(dāng)PLC運(yùn)行過程中，首先以掃描的方式接收設(shè)備的狀態(tài)及數(shù)據(jù)，并從程序存儲(chǔ)器中讀取、分析用戶指令，然后執(zhí)行邏輯或者運(yùn)算，發(fā)揮相應(yīng)的控制功能。

PLC使用操作較為簡單、應(yīng)用范圍較廣，且具有較強(qiáng)的抗干擾能力，將其應(yīng)用于伺服電機(jī)控制中，能夠顯著增強(qiáng)系統(tǒng)整體性能。

2　PLC控制伺服電機(jī)的應(yīng)用設(shè)計(jì)分析

伺服電機(jī)是一種將數(shù)字脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換為機(jī)械角位移或者角速度的元件。在控制過程中，通過執(zhí)行元件，僅需要輸入脈沖順序等信號(hào)，即可以調(diào)整設(shè)備旋轉(zhuǎn)的方向、速度、位移等，這也成為它與其他電機(jī)存在差別的主要原因。

（1）確定具體設(shè)計(jì)方案。綜合對PLC與伺服電機(jī)系統(tǒng)特點(diǎn)的考慮，對于系統(tǒng)的設(shè)計(jì)具體劃分成四個(gè)部分：首先，電源方面。利用AC220V為系統(tǒng)運(yùn)行提供電力支持，并采用符合安全的DC24V開關(guān)電源為PLC控制信號(hào)和伺服控制信號(hào)等供電；其次，控制方面。作為整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)主要以PLC為核心，通過I/O等信號(hào)實(shí)現(xiàn)與操作者、設(shè)備之間的信息交互，按照預(yù)存程序的邏輯，發(fā)出控制信號(hào)給伺服驅(qū)動(dòng)器，實(shí)現(xiàn)對伺服電機(jī)的控制；再次，設(shè)備精度。為了滿足設(shè)備的精度要求，還必須要考慮PLC能夠提供的最大脈沖頻率，伺服能夠接收的最大脈沖頻率，伺服電機(jī)的編碼器精度及伺服的響應(yīng)性能等。以便設(shè)計(jì)合理的脈沖當(dāng)量，選用合適的PLC、伺服電機(jī)及機(jī)械執(zhí)行機(jī)構(gòu)。最后，執(zhí)行方面。該環(huán)節(jié)由執(zhí)行電機(jī)拖動(dòng)需要的設(shè)備開展工作，在具體應(yīng)用過程中，電機(jī)通過自身的編碼器反饋給驅(qū)動(dòng)器實(shí)現(xiàn)半閉環(huán)控制（也可以根據(jù)需要在機(jī)械終端執(zhí)行機(jī)構(gòu)上加裝反饋部件（如光柵尺、編碼器），把信號(hào)反饋給PLC實(shí)現(xiàn)全閉環(huán)控制）。

（2）對于系統(tǒng)細(xì)節(jié)的有效處理。PLC在伺服電機(jī)中的應(yīng)用，主要涉及PLC與伺服電機(jī)兩方面，因此對于細(xì)節(jié)的處理，同樣從這兩方面入手：一方面，電機(jī)方面。伺服電機(jī)作為伺服系統(tǒng)的核心，其主要負(fù)責(zé)能量轉(zhuǎn)換工作，因此相對于其他電機(jī)而言，其需要具備轉(zhuǎn)換效率高、結(jié)構(gòu)簡單等特點(diǎn)。伺服電機(jī)又被稱為執(zhí)行電機(jī)，在自動(dòng)控制系統(tǒng)中，作為執(zhí)行環(huán)節(jié)，其能夠根據(jù)相應(yīng)的指令控制信號(hào)等，調(diào)整和優(yōu)化電機(jī)的運(yùn)行速度及方向[2]。基于精度、高效、快捷等目標(biāo)，本文選擇松下MINAS A系列的交流伺服系統(tǒng)，由于其內(nèi)部主要采取的是32位DSP，運(yùn)用IG-BTPWM控制方式。因此系統(tǒng)整體響應(yīng)速度較快、且體積較小，能夠滿足紡織機(jī)械、數(shù)控機(jī)床等多個(gè)領(lǐng)域發(fā)展需求；另一方面，PLC方面。在滿足性能的前提下，為了兼顧系統(tǒng)設(shè)計(jì)美觀性及實(shí)用性，在選擇PLC時(shí)盡量選擇尺寸較小的產(chǎn)品。本文選用與電機(jī)相配的松下EPO系列PLC，它是同類產(chǎn)品中尺寸最小的，可以安裝在小型機(jī)器設(shè)備上。同時(shí)隨著技術(shù)不斷發(fā)展，在PLC應(yīng)用過程中，還應(yīng)考慮兼容問題，使用單元表面的擴(kuò)充連接器及單排觸頭構(gòu)建層疊結(jié)構(gòu)，以此來拓展系統(tǒng)。

（3）系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)策略。第一，位置控制方面。位置控制主要目標(biāo)是促使執(zhí)行系統(tǒng)對位置指令進(jìn)行準(zhǔn)確的跟蹤，而被控量始終是負(fù)載的空間位移，當(dāng)給定量發(fā)生變化情況下，系統(tǒng)能夠促使被控制量及時(shí)準(zhǔn)確地反饋相關(guān)信息，然后進(jìn)行實(shí)時(shí)的控制調(diào)整。基于此，設(shè)置反饋控制系統(tǒng)十分必要。在位置控制條件下，伺服驅(qū)動(dòng)器接收具體的位置指令信號(hào)，并經(jīng)過電子齒輪分頻處理后，控制IGBT以PWM脈沖形式驅(qū)動(dòng)伺服電機(jī)旋轉(zhuǎn)，然后與反饋的脈沖信號(hào)形成偏差信號(hào)，再進(jìn)一步的調(diào)整PWM脈沖以實(shí)現(xiàn)伺服電機(jī)的精確控制。所謂反饋脈沖，主要是指光電編碼器檢測器，對設(shè)備運(yùn)行實(shí)際情況檢查，獲得的脈沖數(shù)，并經(jīng)過相應(yīng)處理后而形成[3]；第二，速度控制方面。速度控制主要是確保設(shè)備能夠按照用戶指令要求，第一時(shí)間做出相應(yīng)的速度調(diào)整。速度控制是一個(gè)反饋控制系統(tǒng)。在系統(tǒng)運(yùn)行過程中，PLC接到指令信號(hào)后，對伺服驅(qū)動(dòng)器進(jìn)行啟動(dòng)或者停止處理，并對信號(hào)進(jìn)行模擬處理，實(shí)現(xiàn)對電機(jī)運(yùn)行速度的有效控制，以此來達(dá)到控制要求及目標(biāo)；第三，控制精度方面。工業(yè)領(lǐng)域快速發(fā)展，對于伺服電機(jī)的控制精度提出了更高要求。然而傳統(tǒng)模式下，高速脈沖輸出方式屬于開環(huán)位置控制，無法及時(shí)獲得具體的反饋信息，僅能夠提供發(fā)送服務(wù)，一旦伺服驅(qū)動(dòng)器等設(shè)備出現(xiàn)故障，PLC將無法發(fā)揮積極作用。因此對于伺服電機(jī)的設(shè)計(jì)，筆者建議采取增加通信控制方式的方法，當(dāng)指令發(fā)送完成后，伺服驅(qū)動(dòng)器將會(huì)對發(fā)送的指令做出正確的響應(yīng)，實(shí)現(xiàn)對整個(gè)系統(tǒng)的準(zhǔn)確控制；第四，增益方面。伺服電機(jī)在應(yīng)用中，需要按照指令完成相應(yīng)的任務(wù)，不能夠太滯后或超調(diào)。而實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)的關(guān)鍵在于伺服控制增益的調(diào)整。目前伺服的增益調(diào)整可以采取自動(dòng)調(diào)整與手動(dòng)調(diào)整兩種方式[4]。相比較兩種方式的優(yōu)勢來看，前者更具有適用性，通過適當(dāng)?shù)恼{(diào)整，如負(fù)載慣量要比平時(shí)慣量大三倍，并控制在二十倍之內(nèi)；確保震蕩不會(huì)影響機(jī)械設(shè)備損壞，即可實(shí)現(xiàn)對系統(tǒng)的增益調(diào)整。通常意義上來說，機(jī)械的固有頻率將會(huì)影響伺服電機(jī)的增益調(diào)整，一旦機(jī)器的頻率過低，伺服系統(tǒng)將無法獲得較快的響應(yīng)特性。

3　結(jié)論

根據(jù)上文所述，實(shí)踐證明，PLC在伺服電機(jī)控制中的應(yīng)用，能夠提高定位控制系統(tǒng)性能、且降低結(jié)構(gòu)復(fù)雜性。技術(shù)不斷發(fā)展，PLC在伺服電機(jī)中的應(yīng)用將成為必然趨勢。因此相關(guān)人員還應(yīng)加強(qiáng)對技術(shù)的研究力度，不斷提高電機(jī)控制能力，實(shí)現(xiàn)對整個(gè)生產(chǎn)全過程的控制，從而促進(jìn)相關(guān)領(lǐng)域可持續(xù)發(fā)展。

參考文獻(xiàn)：

[1]尙學(xué)彬.PLC控制伺服精確定位的設(shè)計(jì)及應(yīng)用[J].才智,2012(25):60-61.

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[3]章玉婷.基于PLC和伺服電機(jī)的某星載滑環(huán)跑合臺(tái)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].電子機(jī)械工程,2013(04):31-33.

[4]王洪艷.基于S7—200PLC的伺服電機(jī)高脈沖位置控制的一種應(yīng)用[J].裝備制造技術(shù),2014(03):88-90.

DOI:10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.03.143