伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)中高速單脈沖隔離轉(zhuǎn)換模塊等效替換電路的設(shè)計(jì)

伍水梅

（廣東省國(guó)防科技技師學(xué)院，廣東 廣州 510510）

PLC已在自動(dòng)控制系統(tǒng)中廣泛應(yīng)用各種機(jī)械工業(yè)、汽車工業(yè)、鋼鐵工業(yè)電力工業(yè)等領(lǐng)域，其應(yīng)用的深度和廣度已經(jīng)成為衡量一個(gè)國(guó)家工業(yè)自動(dòng)化程度高低的標(biāo)志，其對(duì)伺服電機(jī)的控制更是大家研究的一個(gè)熱點(diǎn)[1-4].伺服電機(jī)無(wú)論是在轉(zhuǎn)矩上還是速度上，都有很大的過(guò)載能力，其最大轉(zhuǎn)矩可達(dá)到額定轉(zhuǎn)矩的三倍，能有效克服負(fù)載的慣性力矩，是自動(dòng)控制系統(tǒng)中的一個(gè)主要執(zhí)行元件[5，6].伺服電機(jī)通過(guò)脈沖的轉(zhuǎn)換進(jìn)行定位，當(dāng)脈沖信號(hào)為零時(shí)無(wú)自轉(zhuǎn)現(xiàn)象，因?yàn)樗欧姍C(jī)擁有旋轉(zhuǎn)編碼器，使其本身具有脈沖產(chǎn)生功能，對(duì)應(yīng)電機(jī)所轉(zhuǎn)過(guò)的角度，它會(huì)產(chǎn)生對(duì)應(yīng)數(shù)量的脈沖，與電機(jī)所接受到的脈沖形成一個(gè)閉環(huán)系統(tǒng)，從而對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)精確定位[1，6，7]，目前最先進(jìn)的伺服電機(jī)精度可達(dá)0.001mm，所以伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)在自動(dòng)控制系統(tǒng)中應(yīng)用廣泛，特別是在傳動(dòng)領(lǐng)域中已占有領(lǐng)先地位.

伺服電機(jī)的驅(qū)動(dòng)是用伺服控制器來(lái)控制的，所以要使伺服電機(jī)精確運(yùn)轉(zhuǎn)，必須有一個(gè)與之相匹配的伺服控制器[6，8].不同系列伺服控制器的PLC-CPU有所不同，主要是各自的輸出控制電流流向不一樣，不能使用S7-200PLC的CPU直接驅(qū)動(dòng)三菱伺服控制器，通常需要在兩者間加一個(gè)高速單脈沖隔離轉(zhuǎn)換模塊.但試驗(yàn)表明，即使采用高速單脈沖隔離轉(zhuǎn)換模塊，控制系統(tǒng)的精度也不高，而且該轉(zhuǎn)換模塊價(jià)格也高.因此，本文以三菱系列和西門子系列的伺服控制器PLC-CPU為研究對(duì)象，研究其驅(qū)動(dòng)伺服電機(jī)時(shí)所用的高速脈沖隔離轉(zhuǎn)換模塊的等效替換電路，實(shí)現(xiàn)對(duì)伺服電機(jī)的精確控制.

1 以高速脈沖隔離轉(zhuǎn)換模塊組成的控制系統(tǒng)的分析

1.1 西門子S7-200PLC系列的CPU選型

西門子S7-200PLC系列屬于小型PLC自動(dòng)化系統(tǒng)，型號(hào)包括221、222CN、224CN、224XP、224 XPSI和226CN等系列.它有14個(gè)數(shù)字量輸入，10個(gè)數(shù)字量輸出，模擬電位器2個(gè)；電源電壓DC24V/AC 100-230V，輸出最小電壓DC20V；既可接漏型，也可接源型[8].這里說(shuō)的漏型，是指輸入信號(hào)由PLC內(nèi)部提供，所有輸入信號(hào)的一端匯總到輸入公共連接端COM的輸入方式，也稱為“匯點(diǎn)輸入”.而源型是指由外部提供輸入信號(hào)電源或使用PLC內(nèi)部給輸入回路的電源，全部輸入信號(hào)為“有源”信號(hào)，并獨(dú)立輸入PLC的輸入連接形式.日系的PLC伺服控制器大多輸出為NPN型，也就是低電平有效，而西門子的所有型號(hào)中除了S7-224XPSI外大都是PNP型的，即高電平有效[10].從拓展模塊及輸入/輸出考慮，本文采用了224CN.

1.2 三菱伺服控制器選型

在本控制系統(tǒng)中選用三菱公司的MR-J2S-10A1伺服控制器.該控制器主要有位置控制、速度控制、轉(zhuǎn)矩控制三種模式[11].本文主要采用位置控制模式，也就是通過(guò)高速脈沖串控制電機(jī)的速度和方向，其位置控制的分辨率達(dá)到131072脈沖/轉(zhuǎn).電源采用AC200～230V，50/60Hz或單相AC110V，50/60Hz，提供的脈沖串形式可以是兩路都為脈沖的形式，也可以是一路為脈沖，另一路為方向的形式，本控制系統(tǒng)以實(shí)現(xiàn)工作臺(tái)的往返為主，因此選擇第二種，一路為脈沖，另一路為方向的脈沖驅(qū)動(dòng)方式.

1.3 高速單脈沖隔離轉(zhuǎn)換模塊的選型

由于S7-200PLC的224CN系列為源型輸入，具PNP晶體管輸出特性，而大部分的三菱PLC均屬于漏型，兩者在電流方向上是相反的，若直接驅(qū)動(dòng)三菱伺服控制器，電機(jī)肯定不能正常運(yùn)轉(zhuǎn).為解決這個(gè)問(wèn)題，兩者間必須加一個(gè)高速單脈沖隔離轉(zhuǎn)換模塊.該模塊的主要功能是抗干擾，提高信號(hào)質(zhì)量，保證信號(hào)正常輸出；同時(shí)具有信號(hào)隔離、分配、轉(zhuǎn)換功能.PLC控制設(shè)備加裝該設(shè)備后，兩種設(shè)備的信號(hào)得以匹配，使西門子的CPU輸出信號(hào)正常傳到三菱伺服控制器，對(duì)伺服電機(jī)進(jìn)行準(zhǔn)確控制.通過(guò)參數(shù)核定，最后選取高速單脈沖隔離轉(zhuǎn)換模塊HSZ04H，如圖1所示.

圖1 高速單脈沖隔離轉(zhuǎn)換模塊

1.4 控制系統(tǒng)的試驗(yàn)情況

將S7-200PLC 224CN、三菱公司的MR-J2S-10A1伺服控制器和高速單脈沖隔離轉(zhuǎn)換模塊HSZ04H組成伺服控制系統(tǒng)，并進(jìn)行伺服電機(jī)的控制試驗(yàn).當(dāng)將編寫好的程序輸入S7-200PLCCPU，正確安裝CPU224、高速單脈沖隔離轉(zhuǎn)換模塊、三菱伺服控制器和伺服電機(jī)間的接線，實(shí)際運(yùn)行時(shí)發(fā)現(xiàn)高速單脈沖隔離轉(zhuǎn)換模塊對(duì)CPU224的輸出頻率有一定影響，伺服電機(jī)轉(zhuǎn)速不穩(wěn)定，有失真現(xiàn)象.當(dāng)頻率過(guò)高時(shí)，CPU224CN輸出大量脈沖，伺服控制器出錯(cuò)，提示錯(cuò)誤參數(shù)16，手動(dòng)時(shí)伺服電機(jī)可正常運(yùn)行，自動(dòng)時(shí)卡死；將CPU清空，重新下載，現(xiàn)象不變，檢查電機(jī)接線，參數(shù)重新設(shè)置均不能妥善解決.考慮該故障可能與高速單脈沖隔離轉(zhuǎn)換模塊有關(guān)，且該模塊在本控制系統(tǒng)中安裝不便，使用過(guò)程中經(jīng)常松動(dòng)，造成系統(tǒng)運(yùn)行不順.因此，需研制一個(gè)能替換高速單脈沖隔離轉(zhuǎn)換模塊并且能解決以上問(wèn)題的等效電路.

2 等效電路的研制

2.1 電壓、電流的取決

要實(shí)現(xiàn)高速單脈沖隔離轉(zhuǎn)換模塊的電流替換最適當(dāng)?shù)倪x擇就是三極管.根據(jù)半導(dǎo)體的組成方式，晶體三極管分為NPN型和PNP型兩種，主要作用包括放大、反相、開(kāi)關(guān)等，NPN型的晶體三極管電流流向是從基極流入，PNP型的晶體三極管電流流向是從基極流出，集電極均為反相輸出[12].

要把該兩種設(shè)備放在同一控制系統(tǒng)中工作，必須讓電流可以流通，即符合各設(shè)備的電流方向.西門子S7-200PLC-CPU 224CN為源型PNP的晶體管電流流入方式，而三菱伺服控制器為漏型PNP的電流流入方式[11].因此，要把西門子CPU224CN和三菱伺服控制器連接在一起，可以選取NPN型的晶體三極管，將上一級(jí)CPU和下一級(jí)伺服控制器的電流流向理順.

圖2 電路等效替換實(shí)物圖

除了要考慮電流的流向，還要考慮電路的工作電壓，工作電流.本控制系統(tǒng)中提供的輸入電壓包括CPU224CN的工作電壓DC24V，電流280mA，伺服電機(jī)工作電壓AC110V；參考各三極管的極性，電壓與電流，選取9013作為控制系統(tǒng)的主要元件，實(shí)現(xiàn)電流的反相和開(kāi)關(guān)作用.9013晶體三極管為NPN型，額定電壓20V，額定電流625mA.為保證晶體三極管正常工作，在各極接入適當(dāng)電阻.試驗(yàn)測(cè)定基極電阻為110×107Ω、發(fā)射極電阻為100×103Ω、集電極電阻為20Ω 時(shí)，波形失真消除，輸出穩(wěn)定，用在實(shí)際電路中，伺服電機(jī)工作正常，達(dá)到替換的要求目的，其電路如圖2所示.

2.2 電機(jī)運(yùn)行方向的實(shí)現(xiàn)

控制電路制作過(guò)程中，還有一個(gè)問(wèn)題就是伺服電機(jī)的換向問(wèn)題，原來(lái)使用高速單脈沖隔離轉(zhuǎn)換模塊時(shí)程序中設(shè)定方向由CPU224CN的Q0.1口輸出，改變程序中M20.0的值可改變電機(jī)的轉(zhuǎn)向，使用自制電路后為方便方向的改變將程序中的M20.0改成開(kāi)關(guān)I1.0，開(kāi)關(guān)接通時(shí)Q0.1得到的是高電平，電機(jī)正轉(zhuǎn)，開(kāi)關(guān)斷開(kāi)時(shí)Q0.1得到的是低電平，電機(jī)反轉(zhuǎn)，無(wú)需在程序中更改M20.0的值，方便操作（圖3）.

圖3 程序替換

2.3 電源和接地的設(shè)置

控制電路中由于晶體三極管V1基極與CPU224CN的輸出端口Q0.0相接，所以工作電源可以與之共享，無(wú)需外接.但電路中利用了兩個(gè)晶體三極管同時(shí)工作，無(wú)可靠接地則電路無(wú)法工作，所以必須從電源端引入接地，形成回路，讓電路正常工作.在替代電路板上除了引出對(duì)應(yīng)的輸入口I1、I2讓電路板接收CPU發(fā)出的信號(hào)，輸出口V01、V02傳遞給伺服控制器輸出脈沖外，就是引出相應(yīng)的GND[13].

該等效電路中使用元器件都是平時(shí)常用的電子器材，價(jià)格便宜，購(gòu)置方便，且大部分元件均可替代，沒(méi)有太高的精度要求，如電路中使用的晶體三極管9013就可用9011、9013、9014、8050、2N5551、C1008等來(lái)替換，性能并無(wú)太大差異.

3 等效電路的伺服控制系統(tǒng)

以等效電路替換高速單脈沖隔離轉(zhuǎn)換模塊HSZ04H，組成新的伺服控制系統(tǒng)，如圖4所示.試驗(yàn)表明，該伺服控制系統(tǒng)完全可以實(shí)現(xiàn)高速單脈沖隔離轉(zhuǎn)換模塊的應(yīng)用要求，而且消除了采用高速單脈沖隔離轉(zhuǎn)換模塊時(shí)的失真等故障現(xiàn)象，能夠滿足伺服控制的精度要求.

圖4 控制系統(tǒng)實(shí)物圖

4 結(jié)束語(yǔ)

本文所研制的等效電路原理簡(jiǎn)單，制作簡(jiǎn)便，應(yīng)用性較強(qiáng)，已在西門子師資培訓(xùn)中投入使用，效果顯著.現(xiàn)在大部分的大專院校里配置的都是三菱系列的PLC系統(tǒng)，有了該替換電路后，學(xué)習(xí)者也可以單純購(gòu)買西門子S7-200PLC-CPU，加上原有的三菱伺服驅(qū)動(dòng)進(jìn)行研究學(xué)習(xí)，使設(shè)備得到最大程度的使用，減少浪費(fèi).

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