基于PLC輸出控制的伺服放大器接口電路研究與設(shè)計(jì)*

季　霆，周根榮，呂　勇，吳　曉

(南通大學(xué) 電氣工程學(xué)院，江蘇 南通226000)

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基于PLC輸出控制的伺服放大器接口電路研究與設(shè)計(jì)*

季霆，周根榮，呂勇，吳曉

(南通大學(xué) 電氣工程學(xué)院，江蘇 南通226000)

PLC和伺服放大器由于控制電流流向的不同可分為源型和漏型。文章分別對(duì)相同類型和不同類型的PLC—伺服放大器接口連接方式進(jìn)行研究，并利用晶體三極管9013、光電耦合器TLP521-4和4N29M作為不同類型連接接口電路的主要元件，通過(guò)分析及實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證僅4N29M能夠滿足PLC—伺服放大器信號(hào)轉(zhuǎn)換的精度與頻率要求。最后以模塊式柔性自動(dòng)化生產(chǎn)線實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)分類單元為例，利用4N29M為主要元器件設(shè)計(jì)西門子CPU226PLC和三菱MR-J3-10A型伺服放大器之間的接口電路，經(jīng)實(shí)際使用，該方案安全可靠。

伺服放大器；可編程控制器；接口電路；光電耦合器

引用格式：季霆，周根榮，呂勇，等. 基于PLC輸出控制的伺服放大器接口電路研究與設(shè)計(jì)[J].微型機(jī)與應(yīng)用，2016,35(17)：7-10.

0　引言

柔性制造系統(tǒng)(Flexible Manufacturing System，F(xiàn)MS)是由統(tǒng)一的信息控制系統(tǒng)、物料儲(chǔ)運(yùn)系統(tǒng)和一組數(shù)字控制加工設(shè)備組成的自動(dòng)化生產(chǎn)制造系統(tǒng)。隨著科技的日益進(jìn)步，大量的工廠、企業(yè)向著自動(dòng)化、智能化的方向發(fā)展，柔性制造系統(tǒng)受到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。

在柔性制造系統(tǒng)中，伺服電機(jī)以其較大的過(guò)載能力以及高精度成為了系統(tǒng)首選的傳動(dòng)裝置。伺服電機(jī)的驅(qū)動(dòng)是由伺服放大器來(lái)控制的，而伺服放大器通常還需要系統(tǒng)主控制器加以控制，主控制器一般為可編程控制器(PLC)[1]。目前市面上有較多的PLC—伺服放大器成套解決方案，但是，一些企業(yè)在實(shí)際工程中由于某些原因可能無(wú)法使用這些成套解決方案，這就可能需要不同公司或者不同系列的PLC與伺服放大器進(jìn)行配合使用[2]。

根據(jù)PLC與伺服放大器各自控制輸出/輸入點(diǎn)電流流向的不同，可將其分為源型和漏型。所謂的源型和漏型是對(duì)于端口點(diǎn)的電流方向來(lái)考慮的，對(duì)輸出點(diǎn)而言電流流出端口點(diǎn)的就是源型，反之就是漏型，一般源型輸出點(diǎn)的公共端接電源的“+”；對(duì)輸入點(diǎn)而言電流流入端口點(diǎn)的就是源型，此時(shí)公共端統(tǒng)一流出電流，反之公共端統(tǒng)一流入電流，即為漏型，一般源型輸入點(diǎn)的公共端接電源的“-”[3]。因此，不同廠商生產(chǎn)的不同型號(hào)的PLC與伺服放大器由于源型和漏型的差別，在相互配合使用時(shí)，就不能只做簡(jiǎn)單的連接，還需要考慮相互間端口類型轉(zhuǎn)換的問(wèn)題，否則可能導(dǎo)致PLC—伺服放大器系統(tǒng)無(wú)法正常運(yùn)行，甚至設(shè)備的損壞。

本文針對(duì)PLC和伺服放大器由于控制電流流向的差別而產(chǎn)生的問(wèn)題，對(duì)PLC—伺服放大器接口電路進(jìn)行研究與分析，并以模塊式柔性自動(dòng)化生產(chǎn)線實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)分類單元為實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，設(shè)計(jì)基于PCL輸出控制的伺服放大器接口電路，最終對(duì)研究結(jié)果加以驗(yàn)證。

1　接口電路分析

PLC和伺服放大器的端口由于控制電流流向的差別分為源型和漏型，它們之間的連接方式可以分為下列4種：源型輸出—源型輸入連接(源—源連接)、漏型輸出—漏型輸入連接(漏—漏連接)、源型輸出—漏型輸入連接(源—漏連接)和漏型輸出—源型輸入連接(漏—源連接)。

若PLC和伺服放大器同時(shí)屬于源型或者漏型(源—源連接或漏—漏連接)， PLC輸出信號(hào)的電流方向與伺服放大器輸入信號(hào)的電流方向相同，則它們之間可以直接連接。以三菱公司生產(chǎn)的PLC和伺服放大器為例，為漏—漏連接方式，如圖1所示[4]。一般來(lái)說(shuō)，相同廠商提供的成套解決方案都屬于該種類型，方案中PLC輸出信號(hào)電流值與伺服放大器輸入信號(hào)電流值大小以及方向相互匹配。但是，不同廠商的設(shè)備之間若類型相同，輸入輸出電流值不相匹配，為了防止電流過(guò)大燒壞內(nèi)部的發(fā)光二極管，連接時(shí)則需在接口處添加上拉(下拉)電阻[5]。

圖1　三菱PLC—伺服放大器連接圖

若PLC和伺服放大器分別屬于不同的類型(源—漏連接或漏—源連接)，按照?qǐng)D1方法直接連接，將因無(wú)法形成電流回路而導(dǎo)致無(wú)法正常驅(qū)動(dòng)伺服電機(jī)。因此，為了能夠使分屬于不同類型的PLC和伺服放大器進(jìn)行連接，尤其是對(duì)于信號(hào)要求高速變化的脈沖串輸入口實(shí)現(xiàn)連接，需要對(duì)PLC—伺服放大器不同類型端口電路的轉(zhuǎn)換問(wèn)題進(jìn)行分析研究。

圖2　基于晶體三極管的接口電路原理圖

文獻(xiàn)[6]對(duì)上述問(wèn)題進(jìn)行了初步研究，該文獻(xiàn)以西門子PLC和三菱伺服放大器為例，西門子PLC一般為源型輸出，即高電平有效，三菱伺服放大器為漏型，低電平有效，因此無(wú)法直接連接。文獻(xiàn)中選取NPN型晶體三極管(9013)為接口電路的主要元件，利用晶體三極管集電極電流受基極電流控制的性能，將西門子PLC的輸出信號(hào)轉(zhuǎn)換成可供三菱伺服放大器使用的輸入信號(hào)?；贜PN型晶體三極管的接口電路原理圖如圖2所示，原理圖中電流由PLC的輸出端流出，由接口電路左端三極管基極端流入，經(jīng)過(guò)兩個(gè)三極管信號(hào)由右端三極管集電極端輸出，從而實(shí)現(xiàn)源—漏連接輸入輸出信號(hào)轉(zhuǎn)換。

利用NPN型晶體三極管作為主要元件的接口電路雖然在理論上能夠?qū)崿F(xiàn)PLC與伺服放大器之間的信號(hào)轉(zhuǎn)換，但是，在實(shí)際應(yīng)用中由于三極管靜態(tài)工作點(diǎn)選取不合適或者輸入信號(hào)太大，會(huì)導(dǎo)致信號(hào)產(chǎn)生失真。另一方面，NPN型晶體三極管9013的放大倍數(shù)β一般在80～200，每一批次的三極管放大倍數(shù)會(huì)有所偏差，經(jīng)過(guò)兩級(jí)放大電路后，偏差會(huì)很大，調(diào)整電路中合適的參數(shù)非常麻煩。因此，文獻(xiàn)[6]所述方法不能滿足信號(hào)轉(zhuǎn)換的需求。

為了解決上述問(wèn)題，選擇光電耦合器作為接口電路的主要元件。目前，市面上可供選擇的光電耦合器種類繁多，TOSHIBA公司生產(chǎn)的TLP521-4和FAIRCHILD公司生產(chǎn)的4N29M是兩款比較常用且符合需求的光電耦合器。

圖3　基于TLP521-4的接口電路原理圖

TLP521-4是一款使用比較廣泛且性能優(yōu)良的固定延時(shí)光電耦合器[7]，而4N29M是一款6引腳DIP通用光敏達(dá)靈頓光電耦合器。利用TLP521-4芯片和4N29M芯片作為主要元件的接口電路原理圖分別如圖3、圖4所示，PLC端口的輸出信號(hào)經(jīng)由一片光電耦合器轉(zhuǎn)換后由伺服放大器輸入端進(jìn)入，從而完成源—漏連接或者漏—源連接信號(hào)之間的轉(zhuǎn)換。

圖4　基于4N29M的接口電路原理圖

在伺服電機(jī)的實(shí)際應(yīng)用中，對(duì)其精度以及轉(zhuǎn)速有一定的要求，往往需要使用PLC的高速脈沖輸出信號(hào)驅(qū)動(dòng)伺服放大器，因此，對(duì)于不同類型(源—漏連接或者漏—源連接)轉(zhuǎn)換接口電路的頻率要求比較高。為了驗(yàn)證TLP521-4和4N29M是否能夠滿足高頻信號(hào)轉(zhuǎn)換的要求，需要對(duì)上述兩種方案進(jìn)行試驗(yàn)。

根據(jù)圖3、圖4的電路原理圖，在輸入端分別加入頻率為2 kHz、5 kHz和10 kHz的脈沖信號(hào)，利用示波器可在輸出端獲得波形，如圖5(a)、(b)、(c)分別為基于TLP521-4的接口電路輸入頻率為2 kHz、5 kHz、10 kHz時(shí)所獲得的波形圖，上方為輸入波形，下方為輸出波形。由波形圖可以看出，當(dāng)輸入脈沖信號(hào)頻率在2 kHz時(shí)該接口電路信號(hào)轉(zhuǎn)換正常，當(dāng)頻率增大至5 kHz時(shí)波形已經(jīng)開(kāi)始失真，到達(dá)10 kHz時(shí)失真現(xiàn)象已經(jīng)比較嚴(yán)重。因此，以TLP521-4作為主要元件的接口電路只適用于低頻(小于5 kHz)信號(hào)的轉(zhuǎn)換。

圖5　基于TLP521-4接口電路的輸入輸出波形圖

而4N29M的帶寬可達(dá)30 kHz[8]，圖6為基于4N29M的接口電路輸入端加脈沖頻率為20 kHz時(shí)的波形圖，由波形可得，4N29M可以完成高頻信號(hào)的轉(zhuǎn)換。因此，對(duì)于高頻信號(hào)轉(zhuǎn)換的性能，4N29M是優(yōu)于TLP521-4的。

圖6　基于4N29M接口電路的輸入輸出波形圖

2　基于4N29M的接口電路設(shè)計(jì)

在模塊式柔性自動(dòng)化生產(chǎn)線實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)分類單元中采用了西門子CPU226PLC對(duì)三菱的MR-J3-10A型伺服放大器進(jìn)行控制，其中西門子CPU226PLC為源型輸出(即高電平有效)，三菱的MR-J3-10A型伺服放大器采用集電極開(kāi)路方式輸入，屬于漏型輸入(即低電平有效)。因此，需要設(shè)計(jì)一個(gè)源—漏連接接口電路，實(shí)現(xiàn)西門子CPU226PLC和三菱MR-J3-10A伺服放大器之間的信號(hào)轉(zhuǎn)換。由于S7-200系列PLC(除CPU224XP)高速脈沖輸出口的最高頻率為20 kHz[7]，為了實(shí)現(xiàn)柔性制造系統(tǒng)中高精度的要求，接口電路需要具有高頻轉(zhuǎn)換的功能，因此選擇4N29M作為接口電路的主要元件。

圖7　4N29M電壓VF與電流IF關(guān)系曲線

圖7為電壓VF與電流IF的關(guān)系曲線，其中VF為4N29M芯片輸入端(ANODE端)正向輸入電壓，IF為輸入端電壓為VF時(shí)LED的正向電流，一般情況下IF取10 mA，那么由VF—IF關(guān)系曲線可得VF的值約為1.2 V。西門子PLC輸出端口5 V供電，因此西門子PLC高速脈沖輸出端輸出電壓VOUT值為5 V。按照?qǐng)D4基于4N29M的接口電路原理圖設(shè)計(jì)接口電路， 4N29M芯片1號(hào)引腳(ANODE端)與西門子PLC高速脈沖輸出端之間連接時(shí)不能直接連接，需要加入一個(gè)電阻R1，2號(hào)引腳(CATHODE端)接地。根據(jù)基爾霍夫電壓定律可得：

VF+R1×IF=VOUT

(1)

由式(1)可計(jì)算出R1≈380 Ω，在常用電阻規(guī)格表中查詢相近的電阻，選擇360 Ω精度為5%的碳膜電阻作為R1。

西門子PLC輸出信號(hào)經(jīng)由4N29M芯片ANODE端輸入，由COLLECTOR端輸出與三菱MR-J3-10A伺服放大器PP、NP和PG、NG端相連。三菱MR-J3-10A型伺服放大器接口需用DC 24 V±10%、300 mA的電源供電，300 mA為使用所有輸入輸出信號(hào)時(shí)的值，而4N29M的集電極-發(fā)射極飽和電壓VCE(SAT)典型值為1.0 V ，因此COLLECTOR端與三菱MR-J3-10A伺服放大器也不能直接連接，需要增加一個(gè)上拉電源VCC和上拉電阻R2。根據(jù)基爾霍夫電壓定律和電流可得：

(2)

其中VCC取24 V，IC為集電極輸出電流取10 mA，IIN為三菱MR-J3-10A伺服放大器輸入電流取300 mA，帶入式(2)可計(jì)算出R2≈79 Ω。在常用電阻規(guī)格表中查詢相近的電阻，選擇75 Ω精度為5%的碳膜電阻作為R2。

基于4N29M的接口設(shè)計(jì)電路圖如圖8所示，電路圖中包含4片4N29M芯片，西門子PLC的Q0.0～Q0.3端口輸出信號(hào)分別接入4N29M芯片ANODE端，信號(hào)經(jīng)由4N29M芯片轉(zhuǎn)換后，由4N29M芯片COLLECTOR端分別輸出至兩個(gè)三菱伺服放大器輸入PP端和NP端。

根據(jù)上述設(shè)計(jì)電路圖繪制電路板，接入柔性自動(dòng)化生產(chǎn)線實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)分類單元中。在STEP7 MicroWIN軟件中編寫驗(yàn)證程序，使伺服電機(jī)做往復(fù)運(yùn)動(dòng)，從而驗(yàn)證該接口轉(zhuǎn)換電路的穩(wěn)定性和可靠性。試驗(yàn)證明，在連續(xù)工作情況下，西門子PLC和三菱伺服放大器并沒(méi)有出現(xiàn)任何故障，因此可以說(shuō)明該接口電路模塊能夠?qū)崿F(xiàn)源型—漏型的輸入輸出信號(hào)相互轉(zhuǎn)換，且系統(tǒng)是安全可靠的。

圖8　基于4N29M的接口電路圖

3　結(jié)束語(yǔ)

本文針對(duì)PLC和伺服放大器端口由于源型和漏型的差別而產(chǎn)生的問(wèn)題，對(duì)PLC—伺服放大器4種連接方式進(jìn)行了研究與分析。對(duì)于同類型PLC和伺服放大器可直接相連接，對(duì)于不同類型連接需要加入PLC—伺服放大器接口電路才能夠?qū)崿F(xiàn)信號(hào)轉(zhuǎn)換。通過(guò)對(duì)文獻(xiàn)[6]所設(shè)計(jì)的接口電路與基于TLP521-4和4N29M接口電路的對(duì)比分析和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證得出，只有基于4N29M的接口電路可以滿足PLC—伺服放大器高精度、高頻率的轉(zhuǎn)換要求。最后，以模塊式柔性自動(dòng)化生產(chǎn)線實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)分類單元為例，利用4N29M為主要元器件設(shè)計(jì)西門子CPU226PLC和三菱的MR-J3-10A型伺服放大器之間的接口電路，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證該方案是安全可靠的。

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Research and design of servo amplifier interface circuit based on PLC output control

Ji Ting，Zhou Genrong，Lv Yong，Wu Xiao

(School of Electrical Engineering，Nantong University，Nantong 226000，China)

Because of the difference of control current flows, PLC and servo amplifier can be divided into source type and sink type. This paper studied on the same types and the different types of PLC-servo amplifier interface connection mode, and utilized transistor (9013) and optocoupler (TLP521-4 and 4N29M) as main components of different interface circuit. Through series of analysis and experimental verification, only 4N29M can meet the requirements of precision and frequency that signal conversion between PLC and servo amplifier. Taking classification unit in modular Flexible Manufacturing System as an example, this paper utilized 4N29M as main components to design an interface circuit which can transform signals between SIEMENS CPU226PLC and MITSUBISHI servo amplifier MR-J3-10A. Practical application confirms the project is safe and reliable.

servo amplifier；PLC；interface circuit；optocoupler

南通大學(xué)教學(xué)改革課題(2015C01)

TP23

ADOI： 10.19358/j.issn.1674- 7720.2016.17.002

2016-06-06)

季霆(1987-)，男，碩士研究生，助理實(shí)驗(yàn)師，主要研究方向：電氣自動(dòng)化，汽車電子。