基于PLC的多軸同步控制系統研究

孫文慧

（天津水科機電有限公司，天津 301900）

0 概述

隨著現代制造業的迅猛發展，在同一控制系統中，如：數控機床，機器人，印刷機械等很多應用場合都會需要實現多軸同步控制，且對控制的實時性、控制精度要求也越來越高。

目前多軸同步控制已經從傳統的機械共軸傳動、機械傳動鏈傳動實現向無軸傳動方式的轉變。無軸傳動又稱為虛擬電子軸、電子齒輪傳動，是將機械傳動比轉化為電子比，通過運算直接將運動控制信號發送給帶動執行機構的電機，完成精確的運動控制。

本文以三軸線速度同步運動控制為例，對基于PLC的多軸同步控制系統進行研究。

1 基于PLC的多軸同步控制系統構建

1.1 方案1：編碼器+PLC+伺服電機控制方式

1.1.1 系統工作原理

這種方式的原理如圖1所示，PLC通過控制變頻電機（或其他可調速電機）帶動軸1作為速度基準軸運行，同時利用編碼器將軸1的運動狀態實時反饋至PLC高速脈沖輸入口，PLC通過讀取高速脈沖輸入口數據，計算出此時其他兩個軸的控制電機所需要的控制數據并分別發送至2個伺服電機控制器，控制伺服電機運行，實現軸2、軸3與軸1的同步運行。

圖1 編碼器+PLC+伺服電機控制方式

1.1.2 系統配置需求

這種控制方式選擇元件時需滿足：

（1）選擇高精度增量型編碼器，以保證PLC對運動基準軸運動狀態的精確采集，并注意脈沖輸出形式最好采用差分信號方式，更能保證精度，同時抗干擾能力強。

（2）PLC需配有與編碼器輸出脈沖形式相應的高速脈沖輸入端子，接收編碼器的輸入脈沖；此外依據PLC與伺服電機的連接方式不同，PLC還需具有高速脈沖輸出端子或與伺服控制器相應的通信接口。且PLC還需具有中斷和高速計數與計算功能。

（3）如果PLC與伺服電機控制器采用通信方式進行連接，則伺服電機控制器應具有與PLC相應的通信接口，支持相應的通信協議，伺服電機控制器選擇位置控制模式運行。

1.2 方案2：PLC+伺服電機控制方式

1.2.1 系統工作原理

這種方式的原理如圖2所示，PLC通過內部運算，計算出設定工作速度下伺服電機需要的輸出數據分別發送至3個伺服電機控制器，控制伺服電機運轉，實現3個軸的同步運行。

圖2 PLC+伺服電機控制方式

1.2.2 系統配置需求

這種控制方式選擇元件時需滿足：

（1）依據PLC與伺服電機的連接方式不同，PLC需具有高速脈沖輸出端子或與伺服控制器相應的通信接口。且PLC需具有高速計算功能。

（2）如果PLC與伺服電機控制器采用通信方式進行連接，則伺服電機控制器應具有與PLC相應的通信接口，支持相應的通信協議，伺服電機控制器選擇位置控制模式運行。

2 PLC運算

（1）方案1計算

PLC接收外部運行速度設定信息后，首先控制變頻電機（或其他可調速電機）啟動逐漸加速至設定轉速運轉，同時啟動高速計數和定時中斷功能，根據控制精度需要及PLC運算速度，以10 ms或100 ms為定時中斷條件，在中斷周期內對高速脈沖輸入口的輸入信號進行高速計數，定時中斷信號到來后，取出計數數值，并對計數地址內的數據進行清零，開始下一次中斷周期的高速計數，通過數據對軸1的轉速實時計算。

在得到軸1的實時轉速后，依據各軸的機械尺寸、各電機所帶減速器的減速比以及伺服電機控制器內部所設定的電子齒輪比等數據，即可計算出與軸1的速度相對應的軸2和軸3的轉速，并將此轉速數據或與轉速相對應的脈沖數據及控制信號發送至軸2、軸3的伺服電機控制器，從而實現控制三軸同步運行。這種方式是軸2、軸3在追隨軸1的運轉，所以整個系統啟停階段的加減速是通過控制軸1電機的加減速曲線來完成的。

（2）方案2計算

PLC接收外部速度設定信息后，根據各軸的機械尺寸、電機所帶減速器的減速比以及伺服電機控制器內部所設定的電子齒輪比，即可計算出相對此設定速度的各軸所需的轉速，并將此轉速數據或與轉速相對應的脈沖數據及控制信號發送至各個伺服電機控制器，控制三軸同步運行，注意此種控制方式時，電機的啟停階段的加減速曲線應由PLC輸出數據的變化控制完成，而非直接將目標速度參數發送給伺服電機控制器，由控制器內部參數設定來完成，這樣可適當防止由于電機控制器及電機差異造成的啟停階段出現的不同步。

根據PLC的運算原理可知：由于方案1中PLC需要首先實時采集軸1的運行信號，然后根據軸1的運行速度不斷調整軸2與軸3的控制信號，因此控制精度略低于方案2，對于精度要求不太高，多軸同步的軸數較少時可以采用方案1，該方案成本略低。

3 PLC與伺服控制器的連接方式

PLC與伺服電機控制器通常有兩種方式進行連接：

（1）PLC可通過端子直接連接伺服電機控制器的接線端頭，發送控制脈沖信號對伺服電機進行控制，這種方式需要PLC具有高速脈沖輸出接點，對于伺服電機數目較少的控制系統，可采用這種方式。此方式成本略低。

（2）PLC也可通過通信，如RS485或CANopen等通信方式與伺服電機控制器的通信接口進行連接，發送控制數據對伺服電機進行控制，這種方式需要PLC與伺服電機控制器具有支持相同通信協議的通信接口，此時PLC不需要高速脈沖輸出接點，伺服電機數量的可擴展性提高，但這種連接方式需要考慮通信線傳輸距離及通信的抗干擾問題。

4 結語

通過以上分析可知：

（1）構建基于PLC的多軸同步控制系統，如果控制軸數量較少、精度要求不是特別高且要節約成本的話，可以采用方案1+端子接線的方式實現，但采用方案1還需注意，軸1與軸2、軸3如果工作在前后順序狀態時，在設計選型中應滿足各軸的扭矩相差不大，否則運行過程中有可能出現由于軸1的運動速度波動而引起軸2或軸3拖動軸1飛轉或拖停的現象。

（2）構建基于PLC的多軸同步控制系統，如果控制軸數量較多、精度要求較高的話，建議采用方案2+通信方式進行。

當然，最佳的實現方案還要設計者依據具體的應用情況進行設定。