基于PLC控制的伺服電機智能調速系統設計

孫彤

（沈陽汽車工業學院電氣工程系，遼寧 沈陽 110015）

PLC控制是指一種專業的電子裝置控制，主要是在工業環境下運行的數字運算操作系統，采用可以編程的存儲器，進而運算各種操作的指令，還能通過數字的輸入和輸出來控制各種機械運作。本次設計基于PLC控制的伺服電機智能調速系統，對基于PLC的伺服電機智能調速系統進行了開發和調試。

1 系統的硬件設計

1.1 PLC控制系統的模塊分析

PLC在工業控制領域占有重要地位，與電器接觸器控制系統相比，更具靈活性和可靠性。此外，PLC有更大的優勢：硬件更通用、編程更簡單、軟件更靈活，更適于使用和調試[1]。PLC主要應用在：開關量控制、模擬量控制、軟元件、對特殊應用的特殊指令集、數據處理和通信組網。

1.2 電機的選型原理

伺服電機的選型，重要在于能夠保證系統加速和減速、靜態和動態穩定、動態運行平穩、抗干擾性強。選擇電機時要滿足2個公式：

其中：JL代表負載慣量，JM代表電機轉子慣量，MB代表電機加速和減速的轉矩，MS代表電機靜態的轉矩。

進行伺服電機選型的過程中，要提前預估系統繞線圈的最大尺寸，據此預算轉動慣量，然后選好固定夾鉗和金屬桿，算出轉動慣量，最后根據得到的數據去計算電機容量，選擇合適的電機。選完電機后，觀察電機性能表，檢查電機在最高轉速時的加速轉矩，并據此預估加速時長。

2 系統的軟件設計

本文的軟件設計是在硬件的基礎上來展開，在系統的設計過程中，要選擇一組容量小點的伺服電機和驅動模塊進行試驗。

2.1 伺服電機智能調速系統的基本配置

基于PLC控制的伺服電機智能調速系統主要采用的電機為SGMJV伺服電機，驅動系統為SGDV系統，PLC采用艾默生EC11系列的PLC和相應的I/O擴展系統與A/D擴展系統，人機界面采用OPAS的人機界面。伺服電機SGMJV額定輸出400W，電壓200V，電流 2.8A，最大電流 9.5A，轉矩 1.2Nm，瞬時最大轉 矩 4.5Nm， 轉子轉動慣量0.44×10-4kgm2，伺服驅動SGDV額定輸入三相200～230V，額定輸出三相0～230V/0～400V。

表1 PLC的基礎數據信息

此外，PLC具有中斷輸入的功能，有脈沖輸出的功能。通道模擬量輸入的轉換速度為6～15ms/通道，輸入電壓-10～10V，輸入電阻1MΩ，輸入電流 -20～10mA，數字輸出為 -2000～2000，設置范圍-10000～10000。人機界面顯示區域192×64LCD點陣，按鍵20個，畫面64KB，ROM1KB，PC下載口RS223，通訊口RS223協議。

2.2 伺服電機的智能調速設計

基于PLC控制的伺服電機智能調速系統在設計時是空載運行，但依然要考慮實際應用時的緩起和緩停。緩速起動和緩速停止的目標是保證帶有線圈負荷的電機在起動和停止時不會受到太大的沖擊，能夠平穩的完成兩種狀態的轉換，同時要保證兩組電機的速度匹配。系統的控制主要是采用EC10系列的PLC指令來進行，從一開始，在每個PLC運行的周期變化一個步進量，當所有步數完成，便到達終點的量，PLC運行的周期越短，完成RAMP指令的時間就越短。采用RAMP指令延長時間，進而使得多段演示指令進行組合。若PLC的掃描時間很短，RAMP運行的時間就很短，電機可能受到沖擊，變速過程也會不太理想。緩起和緩停的速度匹配只需要在系統上適當調整即可。

緩起和緩停是手動操作運行鍵和暫停鍵來控制，在換向時，必須從高速停止換向到反向高速。為了減少電機受到的沖擊，在臨近端點時，需要進行自動的減速，降低速度后再進行換向。設定一個近端點，按同種策略進行控制。

基于PLC的伺服電機系統，在EC10系列PLC的系統配置時，配置輸入點開機模式并選擇，選擇一個開關作為PLC系統的起動開關。當PLC上電后，開關沒按下，便處于待機狀態，開關按下，便開始運行程序。系統中激活STOP指令時，PLC系統停止運轉，一般這種情況發生有兩種可能，繞線完成或中斷。為了保證PLC的停止可靠，要預留出時間進行數據的保存，保證PLC重新啟動后的工作能順利進行。

2.3 系統數據的存儲設計

PLC控制系統具有掉電時自動存儲數據的功能，當系統意外中斷時，系統能夠自行保存當前運行的參數值，待排除故障后自行恢復并還原數據。系統保存范圍內元件值上電前后保持不變，在主程序運行時加入參數保存驅動，每個掃描周期完成一次保存數據的操作；設置掉電中斷程序，當PLC檢測到掉電，執行中斷程序，對參數值進行保存操作。

3 實例分析

在PLC控制的伺服電機智能調速系統設計完畢后，需對PLC控制系統是否能正常運行進行測試，為了保證實驗的有效性，使用傳統的伺服電機調速系統與本文設計的基于PLC的伺服電機智能調速系統進行對比。為保證實驗的準確性，對實驗數據進行嚴格把控。

3.1 數據準備

SGMJV伺服電機，驅動系統為SGDV系統，PLC采用艾默生EC11系列的PLC和相應的I/O擴展系統和A/D擴展系統，人機界面采用OPAS的人機界面。PLC系統和文本顯示器程序設計完成后，將各部分聯系起來，對伺服驅動端子進行輸入控制信號操作。

3.2 USB驅動測試結果分析

由于電路干擾和PLC驅動處理的舍入誤差，得出的計算結果與實際結果存在一定的誤差，但誤差很小。模擬電壓值與電機實際轉速的對應效果很好，線性度也很高，誤差很小，范圍在2～3r/min，可以看出A/D模塊很好的完成了模擬量和數字量間的轉換工作，見圖1。

圖1 電機轉速與電壓值的關系

進行多次反復試驗，由系統調試的結果可以看出，普通的伺服電機系統與本文設計的基于PLC的伺服電機系統差距很大，本文設計的系統運行誤差較小，更加符合伺服電機的容量和慣性要求。普通的伺服電機系統和本文設計的基于PLC的伺服電機系統誤差率見圖2。

圖2 普通系統與設計系統的誤差率對比圖

根據上圖可知，基于PLC控制的伺服電機系統的誤差率低于傳統的伺服電機系統，此外，傳統方法傳輸的速度慢、精度很低，處理數據能力差，沒有自動儲存數據的功能，完全低于PLC控制的數據處理水平和工作能力。

4 結語

本文設計的基于PLC控制的伺服電機智能調速系統，比傳統的伺服電機系統的傳輸速度更快、更方便且實驗誤差小，具有自動保存數據的功能。實驗結果表明，系統真實有效，希望通過本文的研究能夠提升伺服電機調速系統的有效性和實用性。

[1] 徐小輝.基于PLC的電源節能智能控制器設計[J]. 電源技術,2017,39(11):1643-1645.

[2] 魏強,田思慶,李帥等.基于PLC與HMI技術的智能滴灌控制系統[J].節水灌溉,2016,39(4):94-97.