PLC控制伺服電機(jī)實(shí)現(xiàn)定位控制

【摘要】隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，各種機(jī)械已逐漸得到廣泛的應(yīng)用。PLC在機(jī)械的運(yùn)用中越來(lái)越普遍，尤其是在伺服電機(jī)的定位控制中。本文主要介紹利用PLC控制伺服電機(jī)實(shí)現(xiàn)定位的幾種方法，并通過(guò)深入分析控制系統(tǒng)在實(shí)施過(guò)程中需要注意的問(wèn)題，從而提出了控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思路及參考方案，為工業(yè)生產(chǎn)中定位控制的實(shí)現(xiàn)提供了較高的參考價(jià)值。

【關(guān)鍵詞】PLC；伺服電機(jī)；定位控制

0.引言

在工業(yè)自動(dòng)化的生產(chǎn)及加工過(guò)程中，通常要準(zhǔn)確定位控制機(jī)械設(shè)備的移動(dòng)距離或生產(chǎn)工件的尺寸。在定位控制中，關(guān)鍵便是實(shí)現(xiàn)對(duì)伺服電機(jī)的控制。由于PLC體積小，可靠性高，抗干擾能力強(qiáng)，是一種專(zhuān)門(mén)應(yīng)用于工業(yè)的控制計(jì)算機(jī)，因而其能有效實(shí)現(xiàn)機(jī)電一體化的控制。PLC的有效運(yùn)用，給工業(yè)帶來(lái)了巨大的經(jīng)濟(jì)效益的同時(shí)，也為工業(yè)技術(shù)的發(fā)展奠定了良好的基礎(chǔ)。

1.PLC旋轉(zhuǎn)編碼器及高速計(jì)數(shù)器指令控制三相交流異步伺服電機(jī)實(shí)現(xiàn)定位控制

1.1 控制系統(tǒng)的工作原理

PLC的旋轉(zhuǎn)編碼器與高速計(jì)數(shù)器的聯(lián)合運(yùn)用能有效進(jìn)行長(zhǎng)度測(cè)量和精確定位控制，其中，高速計(jì)數(shù)器在不增加特殊功能單元的情況下，就能準(zhǔn)確計(jì)算出小于PLC主機(jī)掃描周期脈寬的高速脈沖，而PLC的旋轉(zhuǎn)編碼器則可以將電機(jī)軸上的角位移有效轉(zhuǎn)換成脈沖值。在此種控制系統(tǒng)中，其原理為利用光電旋轉(zhuǎn)編碼器將電機(jī)角位移轉(zhuǎn)換成脈沖值后，高速計(jì)數(shù)器將編碼器發(fā)出的脈沖個(gè)數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，進(jìn)而達(dá)到定位控制的目的[1]。

1.2 控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案

本文以定位電機(jī)傳輸帶的控制設(shè)計(jì)為例。假設(shè)傳輸帶現(xiàn)要將貨物運(yùn)送到距離為20cm的終點(diǎn)，且貨物到達(dá)終點(diǎn)后，電機(jī)停止工作。在此系統(tǒng)中，硬件設(shè)施主要包括PLC、三相交流異步伺服電機(jī)、光電旋轉(zhuǎn)編碼器以及變頻器等，其工作原理是將光電旋轉(zhuǎn)編碼器的機(jī)械軸連接由三相交流異步伺服電機(jī)拖動(dòng)的傳動(dòng)輥，通傳動(dòng)輥的轉(zhuǎn)動(dòng)，帶動(dòng)機(jī)械軸轉(zhuǎn)動(dòng)，從而將脈沖信號(hào)輸出，并利用PLC的高速計(jì)數(shù)器指令計(jì)數(shù)產(chǎn)生的脈沖個(gè)數(shù)，此時(shí)，如果計(jì)數(shù)器的值與預(yù)置值相等時(shí)，電動(dòng)機(jī)便由變頻器控制停止工作，進(jìn)而準(zhǔn)確定位控制傳輸帶的運(yùn)行距離。在此控制系統(tǒng)中，傳輸帶運(yùn)行20cm過(guò)程中，光電編碼器產(chǎn)生的脈沖個(gè)數(shù)即為高速計(jì)數(shù)器的預(yù)置值，脈沖個(gè)數(shù)與傳動(dòng)輥直徑、光電編碼器的每轉(zhuǎn)脈沖數(shù)以及傳輸帶的運(yùn)行距離等均有著直接關(guān)系。其中，脈沖數(shù)的計(jì)算公式為：脈沖數(shù)=[（傳動(dòng)輥直徑×π÷（脈沖數(shù)/轉(zhuǎn)）] ×傳送帶運(yùn)行距離。

2.PLC高速脈沖指令控制步進(jìn)伺服電機(jī)實(shí)現(xiàn)定位控制

2.1 控制系統(tǒng)的工作原理

步進(jìn)伺服電機(jī)由于成本低廉、控制簡(jiǎn)便、定位精度高以及無(wú)累積誤差等，因而廣泛應(yīng)用于工業(yè)控制中的精確定位場(chǎng)合中。步進(jìn)電機(jī)在工業(yè)生產(chǎn)中多與絲桿等機(jī)械進(jìn)行連接，從而實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)向工作臺(tái)面的直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)的轉(zhuǎn)變。其中，控制控制步進(jìn)電機(jī)的角位移大小和轉(zhuǎn)速便可定位控制工作臺(tái)面的移動(dòng)距離。

PLC高速脈沖指令控制步進(jìn)伺服電機(jī)實(shí)現(xiàn)定位控制的本質(zhì)為PLC通過(guò)高速脈沖輸出指令PTO/PWM進(jìn)行高速脈沖信號(hào)的輸出，再通過(guò)步進(jìn)伺服電機(jī)的脈沖細(xì)分驅(qū)動(dòng)器對(duì)步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)行進(jìn)行有效控制，進(jìn)而將工作臺(tái)移動(dòng)到指定的工作位置，完成定位工作。在該控制系統(tǒng)中， 設(shè)定PLC產(chǎn)生的脈沖數(shù)為定位工作的關(guān)鍵，其中，脈沖數(shù)值受到脈沖當(dāng)量、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的細(xì)分?jǐn)?shù)、傳動(dòng)速比以及脈沖頻率等參數(shù)的直接影響[2]。

2.2 控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案

本文以定位控制貨物倉(cāng)儲(chǔ)系統(tǒng)中的直線(xiàn)導(dǎo)軌的設(shè)計(jì)為例。假設(shè)在倉(cāng)儲(chǔ)系統(tǒng)中，步進(jìn)電機(jī)需將材料以直線(xiàn)導(dǎo)軌的拖動(dòng)形式拖至距離為200mm的目的地。為了進(jìn)行準(zhǔn)確的定位，該系統(tǒng)采用的設(shè)備有型號(hào)為CPU226的PLC、混合式的步進(jìn)伺服電機(jī)以及步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器等。其中，采用的PLC的CPU包含Q0.0端子和Q0.1端子兩個(gè)脈沖發(fā)生器，且均可輸出脈沖頻率高達(dá)20kHz的PTO/PWM高速脈沖信。系統(tǒng)根據(jù)控制要求需采用高速脈沖串輸出PTO功能。PTO功能可以滿(mǎn)足多個(gè)脈沖串進(jìn)行排隊(duì)輸出，從而形成單段和多段兩種流水線(xiàn)。

在此定位控制系統(tǒng)中，需將步進(jìn)電機(jī)細(xì)分驅(qū)動(dòng)器的脈沖細(xì)分?jǐn)?shù)設(shè)定為4，驅(qū)動(dòng)步距角為0.9度/1.8度，從而實(shí)現(xiàn)電機(jī)低頻振蕩的消除和分辨率的有效提高。步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)行為了滿(mǎn)足定位精度及速度的要求，需經(jīng)歷啟動(dòng)加速、恒速運(yùn)行以及接近定位點(diǎn)時(shí)的減速運(yùn)行這三個(gè)過(guò)程。此外，為了保障電機(jī)及驅(qū)動(dòng)設(shè)備的有效運(yùn)行，驅(qū)動(dòng)脈沖頻率也必須進(jìn)行線(xiàn)性增大，因而此定位控制系統(tǒng)采用多管線(xiàn)的操作方式來(lái)實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行過(guò)程的控制。

2.3 控制系統(tǒng)的注意事項(xiàng)

（1）嚴(yán)格選擇PLC的類(lèi)型。在選擇PLC時(shí)，需滿(mǎn)足以下兩點(diǎn)要求：一是其輸出形式必須為可以輸出高速脈沖的晶體管形式，二是輸出的脈沖頻率大小必須滿(mǎn)足系統(tǒng)控制的要求。

（2）仔細(xì)選擇步進(jìn)電機(jī)的脈沖細(xì)分驅(qū)動(dòng)器以及嚴(yán)格設(shè)置其參數(shù)。

（3）在選擇步進(jìn)電機(jī)時(shí)，首先要考慮其類(lèi)型的選擇，在根據(jù)系統(tǒng)要求的基礎(chǔ)上，對(duì)步進(jìn)電機(jī)的電流值、電壓值及使用螺栓機(jī)構(gòu)等定位裝置的確定，從而確定其拍數(shù)和相數(shù)。其次便是綜合考慮速比、額定轉(zhuǎn)矩、負(fù)載轉(zhuǎn)矩、軸向力以及運(yùn)行頻率等，通過(guò)對(duì)步進(jìn)電機(jī)規(guī)格及控制裝置的確定從而選擇合適的步進(jìn)電機(jī)品種[3]。

（4）嚴(yán)格計(jì)算脈沖當(dāng)量。

3.結(jié)語(yǔ)

綜上可知，隨著我國(guó)各項(xiàng)技術(shù)的不斷進(jìn)步，主要運(yùn)用于數(shù)據(jù)處理與網(wǎng)絡(luò)通信的PLC技術(shù)已經(jīng)取得了較快的發(fā)展。PLC、旋轉(zhuǎn)編碼器以及伺服電機(jī)等組成的定位控制系統(tǒng)由于具備結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易于實(shí)現(xiàn)且高性?xún)r(jià)比等一系列優(yōu)點(diǎn)，因而在工業(yè)生產(chǎn)及軍事領(lǐng)域得到了廣泛地應(yīng)用，并為其以后的長(zhǎng)遠(yuǎn)發(fā)展提供更好的技術(shù)支持。

參考文獻(xiàn)

[1]蔣景強(qiáng).伺服電機(jī)控制技術(shù)的發(fā)展應(yīng)用[J].中國(guó)高新技術(shù)企業(yè)，2012（20）：158-160.

[2]張麗萍，李衛(wèi)民，孫洪哲.PLC伺服電機(jī)和觸摸屏在模內(nèi)自動(dòng)貼標(biāo)機(jī)中的應(yīng)用[J].遼寧工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2011（03）：252-254.

[3]苗濤，曹云東.利用PLC模擬量控制伺服電機(jī)轉(zhuǎn)速[J].科技信息（科學(xué)教研），2011（07）：39-41.