基于PLC的伺服電機(jī)在自動(dòng)化中的應(yīng)用

黨 霞

(河南工業(yè)貿(mào)易職業(yè)學(xué)院，河南 鄭州 450000)

我國(guó)工業(yè)生產(chǎn)水平的提升，對(duì)自動(dòng)化生產(chǎn)有了更高的要求，不僅要保證生產(chǎn)效率，還要進(jìn)一步提升產(chǎn)品質(zhì)量。在自動(dòng)化生產(chǎn)中，對(duì)機(jī)械設(shè)備的控制都是依靠信號(hào)和數(shù)據(jù)信息的傳輸，來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)終端設(shè)備的控制，由此對(duì)控制系統(tǒng)的要求較高。伺服系統(tǒng)作為自動(dòng)控制系統(tǒng)之一，能夠根據(jù)相應(yīng)的要求對(duì)物體的位置、方位、狀態(tài)等屬性進(jìn)行控制。在伺服控制系統(tǒng)中，伺服電機(jī)作為重要的驅(qū)動(dòng)裝置，利用對(duì)電壓信號(hào)的控制功能，來(lái)對(duì)控制對(duì)象的轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速進(jìn)行控制，對(duì)速度和位置的控制非常精確。將PLC與伺服電機(jī)進(jìn)行組合應(yīng)用，可充分發(fā)揮兩者各自的優(yōu)勢(shì)，在工業(yè)控制領(lǐng)域中可有效提升生產(chǎn)水平。伺服電機(jī)在控制設(shè)備的過(guò)程中，利用變頻技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)主軸轉(zhuǎn)角以及轉(zhuǎn)矩等參數(shù)的優(yōu)化控制，在調(diào)速范圍、精度控制和動(dòng)態(tài)性能方面都有較好的優(yōu)勢(shì)。基于PLC的伺服電機(jī)在自動(dòng)化生產(chǎn)中的應(yīng)用，對(duì)機(jī)械設(shè)備的定位更加精準(zhǔn)，進(jìn)一步提升了自動(dòng)化生產(chǎn)的效率和加工質(zhì)量。

1 PLC及伺服電機(jī)概述

1.1 PLC應(yīng)用于伺服電機(jī)控制的優(yōu)勢(shì)

PLC又稱可編程邏輯控制器，主要是利用存儲(chǔ)器中的存儲(chǔ)程序來(lái)執(zhí)行各種操作，包括邏輯運(yùn)算、順序控制和計(jì)數(shù)等操作，在發(fā)出指令后，便能夠?qū)C(jī)械設(shè)備或者生產(chǎn)過(guò)程進(jìn)行相應(yīng)的控制。PLC的優(yōu)勢(shì)較多，所以應(yīng)用領(lǐng)域較為廣泛，主要包括操作簡(jiǎn)便，編程元件多，性價(jià)比高，適應(yīng)性強(qiáng)，安裝調(diào)試簡(jiǎn)單，維修簡(jiǎn)便等。利用PLC的優(yōu)勢(shì)功能，將PLC與伺服電機(jī)結(jié)合應(yīng)用，可進(jìn)一步增強(qiáng)伺服電機(jī)的功能。PLC既能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)輸入信號(hào)的切換和控制，又能夠?qū)τ|摸屏進(jìn)行控制。比如在對(duì)定位模塊通信、插補(bǔ)控制中應(yīng)用，定位模塊在接收到觸摸屏的定位參數(shù)以及PLC的調(diào)用程序命令后，將脈沖信號(hào)傳遞給伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。伺服電機(jī)利用聯(lián)軸器和滾珠絲杠直接連接，這樣旋轉(zhuǎn)角度的位移就會(huì)呈現(xiàn)直線的方式，這種方式更容易讀取數(shù)據(jù)，對(duì)位置的控制也更加準(zhǔn)確。

1.2 伺服電機(jī)的優(yōu)點(diǎn)

伺服電機(jī)作為伺服系統(tǒng)的重要組成部分，也具備了伺服系統(tǒng)的諸多優(yōu)點(diǎn)。伺服系統(tǒng)的任務(wù)主要是根據(jù)控制命令的要求對(duì)功率進(jìn)行相應(yīng)的控制，然后使作為驅(qū)動(dòng)裝置的電機(jī)在輸出力矩、速度和位置方面都能夠較為靈活地控制。伺服電機(jī)作為伺服系統(tǒng)中的驅(qū)動(dòng)裝置，可控制機(jī)械元件的運(yùn)轉(zhuǎn)，在精度、轉(zhuǎn)速、適應(yīng)性、穩(wěn)定性、及時(shí)性和舒適性方面都有較強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)，在自動(dòng)化控制與生產(chǎn)加工中應(yīng)用，可有效提升設(shè)備的運(yùn)行速度和自動(dòng)化程度，有效降低能源的損耗。同時(shí)，在多個(gè)伺服系統(tǒng)的協(xié)作下，能夠完成較為復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)要求，可滿足具有較高標(biāo)準(zhǔn)的工業(yè)生產(chǎn)要求。伺服電機(jī)在機(jī)床、印刷設(shè)備、包裝設(shè)備、紡織設(shè)備、自動(dòng)化生產(chǎn)線中都有所應(yīng)用，可有效提升產(chǎn)品的加工精度。

1.3 伺服電機(jī)的控制方式

伺服電機(jī)具有響應(yīng)速度快，過(guò)載能力強(qiáng)，穩(wěn)定性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，所以在自動(dòng)化控制和生產(chǎn)加工中應(yīng)用較為廣泛。伺服電機(jī)控制方式主要有轉(zhuǎn)矩控制、位置控制和速度控制，轉(zhuǎn)矩控制主要是利用改變模擬量的實(shí)時(shí)設(shè)置或者是對(duì)相應(yīng)通信地址的改變，進(jìn)而改變轉(zhuǎn)矩。位置控制主要是依靠脈沖功能實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)旋轉(zhuǎn)角度的控制，伺服電機(jī)每接收到一個(gè)脈沖就會(huì)旋轉(zhuǎn)一定的角度，在與伺服電機(jī)發(fā)出的脈沖形成的閉環(huán)中可計(jì)算出系統(tǒng)發(fā)出的脈沖總數(shù)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的精準(zhǔn)控制。在部分伺服系統(tǒng)中，能夠利用通信直接對(duì)速度和位移進(jìn)行精準(zhǔn)分配。速度控制是利用模擬輸入或者脈沖頻率進(jìn)行控制，如果使用控制器外部回路的PID，定位效率會(huì)更高，對(duì)速度的控制也更準(zhǔn)確。使用PID需要獲取電機(jī)的相關(guān)數(shù)據(jù)才能進(jìn)行定位，但是應(yīng)用范圍較廣，且準(zhǔn)確度較高。

2 基于PLC的伺服電機(jī)在自動(dòng)化控制和生產(chǎn)中的應(yīng)用

在自動(dòng)化控制和生產(chǎn)加工中，因?yàn)樾枰M(jìn)行批量生產(chǎn)操作，所以需要同時(shí)對(duì)多臺(tái)機(jī)械設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行精準(zhǔn)控制。基于PLC的伺服電機(jī)可對(duì)多個(gè)機(jī)械設(shè)備進(jìn)行位置控制，且控制系統(tǒng)的操作較為簡(jiǎn)便，控制方式較為靈活，能夠?qū)崿F(xiàn)精準(zhǔn)的定位。下面以帶觸摸屏的PLC伺服電機(jī)控制系統(tǒng)在機(jī)械手定點(diǎn)控制系統(tǒng)中的應(yīng)用為例，對(duì)基于PLC的伺服電機(jī)在自動(dòng)化中的應(yīng)用進(jìn)行分析。

2.1 控制系統(tǒng)中硬件的連接和設(shè)計(jì)

硬件是伺服電機(jī)控制系統(tǒng)的重要組成部分，觸摸屏主要起到控制和顯示的功能，對(duì)控制系統(tǒng)進(jìn)行啟動(dòng)、停止和復(fù)位，在屏幕中還會(huì)顯示機(jī)械手的位置信息。伺服電機(jī)主要作為動(dòng)力驅(qū)動(dòng)裝置，PLC主要發(fā)揮程序輸入輸出功能，還有驅(qū)動(dòng)器、機(jī)械手以及傳動(dòng)組件等部分。硬件部分的連接方式如下，伺服電機(jī)電源線和編碼器-驅(qū)動(dòng)器-PLC，伺服電機(jī)-傳動(dòng)組件，當(dāng)伺服電機(jī)處于旋轉(zhuǎn)狀態(tài)時(shí)，就會(huì)引起一系列的轉(zhuǎn)動(dòng)反應(yīng)，伺服電機(jī)-主動(dòng)同步輪-同步帶和從動(dòng)同步輪-滑動(dòng)溜板-機(jī)械手裝置。以上就是伺服電機(jī)控制系統(tǒng)中硬件的一系列關(guān)聯(lián)反應(yīng)，最終控制機(jī)械手來(lái)抓取工件和旋轉(zhuǎn)。

2.2 觸摸屏的組態(tài)軟件設(shè)計(jì)

因?yàn)閷?duì)執(zhí)行系統(tǒng)的控制需要有一個(gè)操作的窗口，而觸摸屏可以作為人機(jī)交互的窗口，在觸摸屏中可以進(jìn)行組態(tài)軟件的操作。組態(tài)軟件需要安裝在計(jì)算機(jī)中，然后通過(guò)觸摸屏實(shí)現(xiàn)操作。對(duì)于控制系統(tǒng)中的命令傳達(dá)都可以在組態(tài)軟件進(jìn)行設(shè)置，比如可以將啟動(dòng)按鈕、停止按鈕、復(fù)位按鈕分別與PLC中的某一地址進(jìn)行鏈接，然后將機(jī)械手的位置與PLC中的地址進(jìn)行對(duì)應(yīng)，從而在觸摸屏中就能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)機(jī)械手的位置控制。在計(jì)算機(jī)中安裝完組態(tài)軟件后，將計(jì)算機(jī)與觸摸屏進(jìn)行連接，再將安裝在計(jì)算機(jī)中的軟件下載到觸摸屏中。再將觸摸屏與PLC的編程口連接起來(lái)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)觸摸屏和PLC之間的通訊，最終通過(guò)PLC實(shí)現(xiàn)操作單元與機(jī)械設(shè)備之間的通信，對(duì)機(jī)械手的位置和運(yùn)行軌跡進(jìn)行控制。

2.3 伺服電機(jī)與PLC的連接設(shè)計(jì)

伺服電機(jī)對(duì)機(jī)械手的定位控制主要為位置控制模式，在伺服電機(jī)與PLC的連接時(shí)，將驅(qū)動(dòng)器的脈沖端與PLC對(duì)應(yīng)位置相連，通過(guò)脈沖端對(duì)高速脈沖進(jìn)行控制。然后將驅(qū)動(dòng)器方向控制端與PLC對(duì)應(yīng)位置連接，對(duì)機(jī)械手的運(yùn)行方向進(jìn)行控制。在設(shè)備連接過(guò)程中，需要將電源線和信號(hào)線連接到對(duì)應(yīng)位置，線路連接完成后，即可在驅(qū)動(dòng)器控制面板上設(shè)置相應(yīng)的參數(shù)，將控制模式、電機(jī)轉(zhuǎn)速、限位報(bào)警、自動(dòng)增益、脈沖旋轉(zhuǎn)方向、脈沖輸入方式等與面板中的按鈕一一對(duì)應(yīng)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)操控。

2.4 PLC對(duì)機(jī)械手的控制設(shè)計(jì)

用PLC實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)械手的控制，可在計(jì)算機(jī)中進(jìn)行編程。PLC對(duì)伺服電機(jī)的控制主要表現(xiàn)在速度和位置兩個(gè)方面，通過(guò)脈沖串或者脈寬進(jìn)行控制。在向?qū)е锌蓪?duì)電機(jī)相關(guān)參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，包括速度、加減速時(shí)間等，然后生成位置控制的子程序。在應(yīng)用程序中，主要是通過(guò)調(diào)用子程序的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)械手各部位位置的控制。在計(jì)算機(jī)中寫(xiě)好程序后，將其安裝到PLC中，在觸摸屏中就能夠?qū)C(jī)械手的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行控制。比如單擊復(fù)位按鈕，機(jī)械手就會(huì)回到初始位置，再次單擊啟動(dòng)按鈕，系統(tǒng)就會(huì)開(kāi)始工作，機(jī)械手就會(huì)按照程序進(jìn)行位置移動(dòng)，單擊停止按鈕后，機(jī)械手在完成一個(gè)完整的周期后就會(huì)再次回到初始位置。

3 結(jié)語(yǔ)

基于PLC的伺服電機(jī)不僅具有伺服系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)，而且還能結(jié)合PLC的功能，進(jìn)一步擴(kuò)展伺服系統(tǒng)的性能優(yōu)勢(shì)。伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)子，能夠根據(jù)輸入信號(hào)的指令迅速反應(yīng)，作為伺服系統(tǒng)中的執(zhí)行元件，具有機(jī)電時(shí)間常數(shù)小、線性度高、始動(dòng)電圧等特性。PLC的抗干擾能力較強(qiáng)，對(duì)外界環(huán)境的適應(yīng)性好，在與伺服電機(jī)結(jié)合應(yīng)用后，能夠同時(shí)對(duì)多個(gè)不同的伺服電機(jī)進(jìn)行控制，從而進(jìn)一步提升生產(chǎn)效率。基于PLC的伺服電機(jī)在自動(dòng)化控制及生產(chǎn)加工中的應(yīng)用，對(duì)機(jī)械設(shè)備的移動(dòng)距離定位更加精準(zhǔn)，對(duì)零件的控制也更加靈活，對(duì)提升零件的加工效率和加工精度具有重要意義。