基于PLC控制的伺服電機(jī)智能調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)

孫彤

（沈陽汽車工業(yè)學(xué)院電氣工程系，遼寧 沈陽 110015）

PLC控制是指一種專業(yè)的電子裝置控制，主要是在工業(yè)環(huán)境下運(yùn)行的數(shù)字運(yùn)算操作系統(tǒng)，采用可以編程的存儲(chǔ)器，進(jìn)而運(yùn)算各種操作的指令，還能通過數(shù)字的輸入和輸出來控制各種機(jī)械運(yùn)作。本次設(shè)計(jì)基于PLC控制的伺服電機(jī)智能調(diào)速系統(tǒng)，對(duì)基于PLC的伺服電機(jī)智能調(diào)速系統(tǒng)進(jìn)行了開發(fā)和調(diào)試。

1 系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

1.1 PLC控制系統(tǒng)的模塊分析

PLC在工業(yè)控制領(lǐng)域占有重要地位，與電器接觸器控制系統(tǒng)相比，更具靈活性和可靠性。此外，PLC有更大的優(yōu)勢(shì)：硬件更通用、編程更簡(jiǎn)單、軟件更靈活，更適于使用和調(diào)試[1]。PLC主要應(yīng)用在：開關(guān)量控制、模擬量控制、軟元件、對(duì)特殊應(yīng)用的特殊指令集、數(shù)據(jù)處理和通信組網(wǎng)。

1.2 電機(jī)的選型原理

伺服電機(jī)的選型，重要在于能夠保證系統(tǒng)加速和減速、靜態(tài)和動(dòng)態(tài)穩(wěn)定、動(dòng)態(tài)運(yùn)行平穩(wěn)、抗干擾性強(qiáng)。選擇電機(jī)時(shí)要滿足2個(gè)公式：

其中：JL代表負(fù)載慣量，JM代表電機(jī)轉(zhuǎn)子慣量，MB代表電機(jī)加速和減速的轉(zhuǎn)矩，MS代表電機(jī)靜態(tài)的轉(zhuǎn)矩。

進(jìn)行伺服電機(jī)選型的過程中，要提前預(yù)估系統(tǒng)繞線圈的最大尺寸，據(jù)此預(yù)算轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，然后選好固定夾鉗和金屬桿，算出轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，最后根據(jù)得到的數(shù)據(jù)去計(jì)算電機(jī)容量，選擇合適的電機(jī)。選完電機(jī)后，觀察電機(jī)性能表，檢查電機(jī)在最高轉(zhuǎn)速時(shí)的加速轉(zhuǎn)矩，并據(jù)此預(yù)估加速時(shí)長(zhǎng)。

2 系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

本文的軟件設(shè)計(jì)是在硬件的基礎(chǔ)上來展開，在系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過程中，要選擇一組容量小點(diǎn)的伺服電機(jī)和驅(qū)動(dòng)模塊進(jìn)行試驗(yàn)。

2.1 伺服電機(jī)智能調(diào)速系統(tǒng)的基本配置

基于PLC控制的伺服電機(jī)智能調(diào)速系統(tǒng)主要采用的電機(jī)為SGMJV伺服電機(jī)，驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)為SGDV系統(tǒng)，PLC采用艾默生EC11系列的PLC和相應(yīng)的I/O擴(kuò)展系統(tǒng)與A/D擴(kuò)展系統(tǒng)，人機(jī)界面采用OPAS的人機(jī)界面。伺服電機(jī)SGMJV額定輸出400W，電壓200V，電流 2.8A，最大電流 9.5A，轉(zhuǎn)矩 1.2Nm，瞬時(shí)最大轉(zhuǎn) 矩 4.5Nm， 轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)慣量0.44×10-4kgm2，伺服驅(qū)動(dòng)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(chǔ)數(shù)據(jù)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(zhuǎn)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(shù)字輸出為 -2000～2000，設(shè)置范圍-10000～10000。人機(jī)界面顯示區(qū)域192×64LCD點(diǎn)陣，按鍵20個(gè)，畫面64KB，ROM1KB，PC下載口RS223，通訊口RS223協(xié)議。

2.2 伺服電機(jī)的智能調(diào)速設(shè)計(jì)

基于PLC控制的伺服電機(jī)智能調(diào)速系統(tǒng)在設(shè)計(jì)時(shí)是空載運(yùn)行，但依然要考慮實(shí)際應(yīng)用時(shí)的緩起和緩?fù)?。緩速起?dòng)和緩速停止的目標(biāo)是保證帶有線圈負(fù)荷的電機(jī)在起動(dòng)和停止時(shí)不會(huì)受到太大的沖擊，能夠平穩(wěn)的完成兩種狀態(tài)的轉(zhuǎn)換，同時(shí)要保證兩組電機(jī)的速度匹配。系統(tǒng)的控制主要是采用EC10系列的PLC指令來進(jìn)行，從一開始，在每個(gè)PLC運(yùn)行的周期變化一個(gè)步進(jìn)量，當(dāng)所有步數(shù)完成，便到達(dá)終點(diǎn)的量，PLC運(yùn)行的周期越短，完成RAMP指令的時(shí)間就越短。采用RAMP指令延長(zhǎng)時(shí)間，進(jìn)而使得多段演示指令進(jìn)行組合。若PLC的掃描時(shí)間很短，RAMP運(yùn)行的時(shí)間就很短，電機(jī)可能受到?jīng)_擊，變速過程也會(huì)不太理想。緩起和緩?fù)５乃俣绕ヅ渲恍枰谙到y(tǒng)上適當(dāng)調(diào)整即可。

緩起和緩?fù)Ｊ鞘謩?dòng)操作運(yùn)行鍵和暫停鍵來控制，在換向時(shí)，必須從高速停止換向到反向高速。為了減少電機(jī)受到的沖擊，在臨近端點(diǎn)時(shí)，需要進(jìn)行自動(dòng)的減速，降低速度后再進(jìn)行換向。設(shè)定一個(gè)近端點(diǎn)，按同種策略進(jìn)行控制。

基于PLC的伺服電機(jī)系統(tǒng)，在EC10系列PLC的系統(tǒng)配置時(shí)，配置輸入點(diǎn)開機(jī)模式并選擇，選擇一個(gè)開關(guān)作為PLC系統(tǒng)的起動(dòng)開關(guān)。當(dāng)PLC上電后，開關(guān)沒按下，便處于待機(jī)狀態(tài)，開關(guān)按下，便開始運(yùn)行程序。系統(tǒng)中激活STOP指令時(shí)，PLC系統(tǒng)停止運(yùn)轉(zhuǎn)，一般這種情況發(fā)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(yù)留出時(shí)間進(jìn)行數(shù)據(jù)的保存，保證PLC重新啟動(dòng)后的工作能順利進(jìn)行。

2.3 系統(tǒng)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)設(shè)計(jì)

PLC控制系統(tǒng)具有掉電時(shí)自動(dòng)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的功能，當(dāng)系統(tǒng)意外中斷時(shí)，系統(tǒng)能夠自行保存當(dāng)前運(yùn)行的參數(shù)值，待排除故障后自行恢復(fù)并還原數(shù)據(jù)。系統(tǒng)保存范圍內(nèi)元件值上電前后保持不變，在主程序運(yùn)行時(shí)加入?yún)?shù)保存驅(qū)動(dòng)，每個(gè)掃描周期完成一次保存數(shù)據(jù)的操作；設(shè)置掉電中斷程序，當(dāng)PLC檢測(cè)到掉電，執(zhí)行中斷程序，對(duì)參數(shù)值進(jìn)行保存操作。

3 實(shí)例分析

在PLC控制的伺服電機(jī)智能調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)完畢后，需對(duì)PLC控制系統(tǒng)是否能正常運(yùn)行進(jìn)行測(cè)試，為了保證實(shí)驗(yàn)的有效性，使用傳統(tǒng)的伺服電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)與本文設(shè)計(jì)的基于PLC的伺服電機(jī)智能調(diào)速系統(tǒng)進(jìn)行對(duì)比。為保證實(shí)驗(yàn)的準(zhǔn)確性，對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行嚴(yán)格把控。

3.1 數(shù)據(jù)準(zhǔn)備

SGMJV伺服電機(jī)，驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)為SGDV系統(tǒng)，PLC采用艾默生EC11系列的PLC和相應(yīng)的I/O擴(kuò)展系統(tǒng)和A/D擴(kuò)展系統(tǒng)，人機(jī)界面采用OPAS的人機(jī)界面。PLC系統(tǒng)和文本顯示器程序設(shè)計(jì)完成后，將各部分聯(lián)系起來，對(duì)伺服驅(qū)動(dòng)端子進(jìn)行輸入控制信號(hào)操作。

3.2 USB驅(qū)動(dòng)測(cè)試結(jié)果分析

由于電路干擾和PLC驅(qū)動(dòng)處理的舍入誤差，得出的計(jì)算結(jié)果與實(shí)際結(jié)果存在一定的誤差，但誤差很小。模擬電壓值與電機(jī)實(shí)際轉(zhuǎn)速的對(duì)應(yīng)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(shù)字量間的轉(zhuǎn)換工作，見圖1。

圖1 電機(jī)轉(zhuǎn)速與電壓值的關(guān)系

進(jìn)行多次反復(fù)試驗(yàn)，由系統(tǒng)調(diào)試的結(jié)果可以看出，普通的伺服電機(jī)系統(tǒng)與本文設(shè)計(jì)的基于PLC的伺服電機(jī)系統(tǒng)差距很大，本文設(shè)計(jì)的系統(tǒng)運(yùn)行誤差較小，更加符合伺服電機(jī)的容量和慣性要求。普通的伺服電機(jī)系統(tǒng)和本文設(shè)計(jì)的基于PLC的伺服電機(jī)系統(tǒng)誤差率見圖2。

圖2 普通系統(tǒng)與設(shè)計(jì)系統(tǒng)的誤差率對(duì)比圖

根據(jù)上圖可知，基于PLC控制的伺服電機(jī)系統(tǒng)的誤差率低于傳統(tǒng)的伺服電機(jī)系統(tǒng)，此外，傳統(tǒng)方法傳輸?shù)乃俣嚷?、精度很低，處理?shù)據(jù)能力差，沒有自動(dòng)儲(chǔ)存數(shù)據(jù)的功能，完全低于PLC控制的數(shù)據(jù)處理水平和工作能力。

4 結(jié)語

本文設(shè)計(jì)的基于PLC控制的伺服電機(jī)智能調(diào)速系統(tǒng)，比傳統(tǒng)的伺服電機(jī)系統(tǒng)的傳輸速度更快、更方便且實(shí)驗(yàn)誤差小，具有自動(dòng)保存數(shù)據(jù)的功能。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，系統(tǒng)真實(shí)有效，希望通過本文的研究能夠提升伺服電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的有效性和實(shí)用性。

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

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