交流伺服電機(jī)的PLC控制綜合性實(shí)驗(yàn)開發(fā)與設(shè)計
2017-7-13 來源： 廣東石油化工學(xué)院 機(jī)電工程學(xué)院 作者：陳英俊,黃崇林
摘要:為探索機(jī)械類創(chuàng)新應(yīng)用型人才的培養(yǎng)模式、提高學(xué)生的工程實(shí)踐能力,根據(jù)交流伺服電機(jī)的位置控制模式及PLC高速脈沖輸出原理,開發(fā)和設(shè)計了交流伺服電機(jī)的 PLC控制綜合性實(shí)驗(yàn).實(shí)驗(yàn)內(nèi)容包括設(shè)置交流伺服驅(qū)動器參數(shù)、電氣設(shè)計與連線、運(yùn)用 PLC的高速脈沖處理指令編制程序,以及控制電機(jī)按指定的速度運(yùn)行、單軸快速定位和指定的加減速動作.通過實(shí)驗(yàn),學(xué)生鞏固和擴(kuò)展了課堂知識、激發(fā)了學(xué)習(xí)興趣、提高了教學(xué)質(zhì)量.
關(guān)鍵詞:交流伺服電機(jī);PLC控制;綜合性實(shí)驗(yàn)
隨著交流伺服技術(shù)的發(fā)展,其技術(shù)越來越成熟,成本也不斷地在降低,交流伺服電機(jī)逐漸取代直流伺服電機(jī)成為機(jī)電一體化技術(shù)和產(chǎn)品中主流控制用電動機(jī)[１Ｇ２].特別是在多自由度的工業(yè)機(jī)器人、現(xiàn)代數(shù)控機(jī)床上,交流伺服電機(jī)因?yàn)槠涫褂玫谋憷约懊饩S護(hù)性,得到了廣泛的應(yīng)用[３Ｇ４].交流伺服控制技術(shù)是高校機(jī)械類專業(yè)學(xué)生必須學(xué)習(xí)和實(shí)踐的重要內(nèi)容[５Ｇ６],而可編程控制(programmablelogicalcontroller,PLC)是在工業(yè)控制中廣泛采用的一種穩(wěn)定可靠的控制器,學(xué)生在高年級時已經(jīng)修讀過相關(guān)課程,具備了開展交流伺服電機(jī)的PLC控制綜合性實(shí)驗(yàn)的知識基礎(chǔ).
本文根據(jù)探索機(jī)械類創(chuàng)新應(yīng)用型人才培養(yǎng)模式的需要,以鞏固機(jī)械類學(xué)生相關(guān)的專業(yè)課程知識與提高其工程實(shí)踐能力、創(chuàng)新能力為目標(biāo),在交流伺服電動機(jī)系統(tǒng)和 PLC控制器組成的實(shí)驗(yàn)平臺上,開展交流伺服電機(jī)的 PLC控制綜合性實(shí)驗(yàn)技術(shù)研究,開發(fā)設(shè)計相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目,對提高機(jī)械類專業(yè)學(xué)生的培養(yǎng)質(zhì)量具有實(shí)際意義。
１.實(shí)驗(yàn)設(shè)計原理
實(shí)驗(yàn)開發(fā)與設(shè)計的目的,在于學(xué)生通過在本實(shí)驗(yàn)中綜合運(yùn)用交流伺服電機(jī)與PLC控制的知識,設(shè)計和搭建出PLC控制交流伺服電機(jī)的系統(tǒng),學(xué)習(xí)和掌握交流伺服電機(jī)及其驅(qū)動器的操作和使用方法,實(shí)現(xiàn)交流伺服電機(jī)的單軸定位和加減速等的簡單控制,進(jìn)一步強(qiáng)化學(xué)生對“機(jī)電一體化設(shè)計基礎(chǔ)”“可編程控制器”“機(jī)電傳動控制”等課程知識的掌握,提升學(xué)生的實(shí)際操作能力.同時教師利用此新的教學(xué)手段,提高教學(xué)質(zhì)量和學(xué)生的學(xué)習(xí)效率.
１．１交流伺服電機(jī)及其驅(qū)動器的理論基礎(chǔ)
對于一般簡單的機(jī)電一體化控制系統(tǒng),常常采用廉價的步進(jìn)電機(jī),其控制精度已經(jīng)足夠;對于要求控制精度高,并且速度、負(fù)載變化大的場合,則應(yīng)該采用交流伺服電機(jī),又因其使用方便,所以常常取代了直流伺服電機(jī)[７].交流伺服電機(jī)必須與驅(qū)動器配套使用才能夠正常工作,伺服驅(qū)動器為伺服電動機(jī)提供動力及相應(yīng)的控制信號,并且根據(jù)電動機(jī)尾部的光柵傳感器檢測到的電機(jī)速度或位置信號,實(shí)時調(diào)整電機(jī)動作,使其與設(shè)計人員既定的使用要求相匹配.交流伺服系統(tǒng)示意圖如圖１所示.
圖１ 交流伺服系統(tǒng)示意圖
2.交流伺服電動機(jī)的驅(qū)動器
常見的３種控制模式有:位置控制、速度控制和轉(zhuǎn)矩控制[８].位置控制是通過上位機(jī)提供給伺服驅(qū)動器的脈沖控制信號來控制伺服電機(jī)動作的,而速度控制和轉(zhuǎn)矩控制則是通過上位機(jī)提供的模擬量控制信號去控制伺服電機(jī)的[９].本實(shí)驗(yàn)選用的是８０STＧM０２４３０交流伺服電機(jī)和AASD１５A(chǔ)伺服驅(qū)動器,其技術(shù)規(guī)格如表１和表２所示.
表１８０STＧM０２４３０交流伺服電動機(jī)技術(shù)規(guī)格
表２AASD１５A(chǔ)交流伺服驅(qū)動器技術(shù)規(guī)格
交流伺服電機(jī)額定電壓為常用的市電２２０V,功率在交流伺服電機(jī)中屬于小功率型,體積較小;驅(qū)動器則是與交流伺服電機(jī)同一生產(chǎn)廠家的、功率相匹配的驅(qū)動器.這里驅(qū)動器的控制模式選用位置控制,為一種常見的、易用的、成本較低的驅(qū)動器控制模式,一般都能夠滿足實(shí)際機(jī)電一體化系統(tǒng)的控制需要.選用的設(shè)備既能達(dá)到讓學(xué)生學(xué)會典型交流伺服系統(tǒng)的目的,而且使用方便、價格適中.
１．２PLC控制的交流伺服電機(jī)的理論基礎(chǔ)
實(shí)驗(yàn)中的PLC控制器實(shí)質(zhì)就相當(dāng)于圖１中的交流伺服驅(qū)動系統(tǒng)的上位機(jī),為交流伺服驅(qū)動器提供外部的控制信號.這里驅(qū)動器的控制模式選用位置控制,則 PLC則必須選擇能夠輸出脈沖控制信號的脈沖輸出型PLC,而非繼電器輸出型的 PLC.本實(shí)驗(yàn)中直接利用PLC輸出的高速脈沖信號實(shí)現(xiàn)交流伺服系統(tǒng)的簡單控制.
本實(shí)驗(yàn)選用的 PLC 型 號 為 FX１NＧ２４MT,是日本三菱公司生產(chǎn)的功能強(qiáng)大的微型 PLC,能提供輸入輸出總點(diǎn)數(shù)為２４點(diǎn)(輸入１４點(diǎn)、輸出１０),能同時輸出２點(diǎn)１００k Hz脈沖,PLC配備有７條特殊的定位指令,包括零返回、絕對位置讀出、絕對或相對驅(qū)動以及特殊脈沖輸出控制[１０].２ 實(shí)驗(yàn)開發(fā)與設(shè)計
２．１交流伺服驅(qū)動器的設(shè)置
在交流伺服電機(jī)及其驅(qū)動器連接PLC之前,必須通過其操控面板設(shè)定好驅(qū)動器參數(shù),并且在修改后需寫入保存,重啟后方能生效.因此學(xué)生必須熟悉驅(qū)動器操控面板的操作.本實(shí)驗(yàn)中必須設(shè)置的參數(shù)如表３所示.
表３交流伺服驅(qū)動器的參數(shù)設(shè)置
這里尤其需要注意的是電子齒輪比的設(shè)置.電子齒輪比是所有交流伺服驅(qū)動器必須設(shè)置的重要參數(shù).因?yàn)榻涣魉欧姍C(jī)的編碼器反饋精度非常高,如這里采用的AASD１５A(chǔ)伺服驅(qū)動器的編碼器為１５線增量型,其理論每圈分辨率最高為２１５＝３２７６８個脈沖.但實(shí)際采用如此高的編碼器分辨率在編程和控制上并不方便,也往往不需要如此高的精度,所以一般都人工設(shè)定一個較低的分辨率,即每圈脈沖數(shù).伺服驅(qū)動器的電子齒輪比定義為
PN０９８為電子齒輪比分子,出廠默認(rèn)值為１,取值范圍為１~３２７６７;PN１０２為電子齒輪比分母,出廠默認(rèn)值為１,取值范圍為１~３２７６７.比如欲設(shè)置交流伺服電機(jī)５０００個脈沖轉(zhuǎn)１圈,則電子齒輪比為２,所以PN０９８應(yīng)設(shè)為２,PN１０２應(yīng)設(shè)為１;設(shè)置交流伺服電機(jī)１００００個脈沖轉(zhuǎn)１圈,則電子齒輪比為１,所以 PN０９８應(yīng)設(shè)為１,PN１０２應(yīng)設(shè)為１,此為出廠默認(rèn)值.熟悉并設(shè)置好電子齒輪比,在后續(xù)編程中才能對應(yīng)地準(zhǔn)確控制交流伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)速和位移,從而保證實(shí)驗(yàn)安全.
２．２PLC控制程序的編寫
學(xué)生需在計算機(jī)上自行安裝PLC編程軟件 (如GX Works２),并且正確設(shè)置 COM 通信口,通過編程電纜實(shí)現(xiàn)與PLC的通信,能夠順利讀取 PLC 中原來的程序.在 PLC控制交流伺服電機(jī)中,主要通過(D)PLSY和(D)PLSR 兩個高速脈沖處理指令實(shí)現(xiàn)電機(jī)指定速度運(yùn)行、單軸快速定位和指定的加減速動作.(D)PLSY 指令用于產(chǎn)生指定數(shù)量的脈沖.通過在程序中使用(D)PLSY 指令可以控制交流伺服電機(jī)以恒定轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)動指定圈數(shù),實(shí)現(xiàn)交流伺服電機(jī)的單軸快速定位.其指令格式如圖２所示[１１].
圖２脈沖輸出指令(D)PLSY
關(guān)于(D)PLSY 指令格式的說明:(１)圖２中指定脈沖頻率.對于 FX１N 系列PLC,用 １６ 位 指 令 PLSY 時,最 高 輸 出 頻 率 為３２７６７Hz;用３２位指令 DPLSY 時,最高輸出頻率為２０k Hz.實(shí)驗(yàn)中,交流伺服電機(jī)是位置控制也就是脈沖控制模式,是通過脈沖頻率控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速,所以[S中的參數(shù)就決定了電機(jī)的轉(zhuǎn) 速.但電機(jī)實(shí)際轉(zhuǎn)速還需配合伺服驅(qū)動器中所設(shè)定的電子齒輪比進(jìn)行計算,即電機(jī)每一圈所設(shè)定的對應(yīng)的脈沖數(shù),才能得出電機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)速(r/min).
(２)圖２中指定脈沖數(shù)量.因?yàn)榻涣魉欧姍C(jī)為脈沖控制模式,所以中的參數(shù)就決定了電機(jī)的位移.類似于電機(jī)的實(shí)際位移也要通過伺服驅(qū)動器中所設(shè)定的電子齒輪比進(jìn)行計算,才能得出電機(jī)實(shí)際轉(zhuǎn)過的圈數(shù).
(３)圖２ 中 。指 定 脈 沖 輸 出 元 件 號.對 于FX１N系列PLC,其輸出元件號只能為 Y０或者 Y１。
圖３含有(D)PLSY指令的程序示例
在圖３所示程序中,DPLSY 指令的的值為K１００００,則表示輸出脈沖的頻率為１００００Hz,若驅(qū)動器設(shè)定的電子齒輪比為２,交流伺服電機(jī)５０００個脈沖轉(zhuǎn)一圈,每秒轉(zhuǎn)過１００００/５０００＝２圈,則指定了電機(jī)的轉(zhuǎn)速為１２０r/min;的值為 K３００００,電機(jī)共轉(zhuǎn)３００００/５０００＝６圈;脈沖輸出元件為 Y０,方向信號輸出元件為Y２,為低電平,電機(jī)順時針轉(zhuǎn)動.(D)PLSR 是帶加減速功能的脈沖輸出指令.通過在程序中使用(D)PLSR 指令可以控制交流伺服電機(jī)以較平穩(wěn)的速度啟動或者制動,可以用來減小對機(jī)械零部件的沖擊或者使得在轉(zhuǎn)速變化過程中容易采集相關(guān)數(shù)據(jù)[１２].其指令格式如圖４所示[１１].
圖４ 脈沖輸出指令(D)PLSR
(D)PLSR 指令按[指定的最高頻率分１０級減速,達(dá)到指定的輸出脈沖數(shù)后分１０級減速.關(guān)于(D)PLSR 指令格式的說明:(１)指定脈沖輸出元件,與(D)PLSY 指令類似,只能指定 Y０或者 Y１;(２)設(shè)定 對 應(yīng) 電 機(jī) 的 最 高 轉(zhuǎn) 速 的 最 高 頻率,對于 FX１N 系列 PLC 最高可設(shè)為１００k Hz,并且必須為１０的倍數(shù),實(shí)際電機(jī)轉(zhuǎn)速的計算與上述使用)PLSY 指令類似;(３)設(shè) 定 總 輸 出 脈 沖 數(shù),使 用 １６ 位 指 令PLSR時,設(shè) 定 最 大 值 為 ３２７６７,使 用 ３２ 位 指 令DPLSR時,設(shè)定最大值為２１４７４８３６４７;(４)設(shè)定加減速時間,單位為 ms,最大值為５０００ms,并且還需滿足下列公式
２．３實(shí)驗(yàn)電氣連線
實(shí)驗(yàn)的電氣連線主要分為２部分.一部分是交流伺服電機(jī)與其驅(qū)動器連線,即完成如圖１所示的交流伺服電機(jī)系統(tǒng)連接.具體連接如下:伺服驅(qū)動器有３條電源線引腳,L１、L２、L３.對于小于１０００ W的交流伺服電機(jī),一般接單相２２０V,即接L１、L２即可.電機(jī)線 U、V、W、E 和驅(qū)動器的 U、V、W、地引腳一一對應(yīng)連接.將廠家提供的電機(jī)編碼器線與驅(qū)動器CN３直接相連.這部分的連線一般是連接好后,以后無論采用何種上位機(jī)對交流伺服電機(jī)進(jìn)行控制,都不需要改變的.實(shí)驗(yàn)的電氣連線另外一部分是伺服驅(qū)動器余下的CN２與上位機(jī)PLC的 連接.CN２為交流伺服系統(tǒng)的控制信號輸入接口.CN２接口一共包含２５個引腳,采用位置控制模式的話只用到其中少數(shù)幾個引腳.PLC 輸出的是２４V 脈沖信號,按照伺服驅(qū)動器說明書,如圖 ５ 所示連接至PLC.其中的方向信號引腳,按照默認(rèn)邏輯如果接到２４V高電平的信號或者懸空,則電機(jī)逆時針轉(zhuǎn)動,若接到低電平信號０V,則電機(jī)順時針轉(zhuǎn)動.
圖５驅(qū)動器接口與 PLC連線
２．４實(shí)驗(yàn)結(jié)果與注意事項(xiàng)
實(shí)驗(yàn)中,通過編制含有(D)PLSY 和(D)PLSR 兩個指令的程序,均能使得交流伺服電機(jī)動作,并且根據(jù)程序中設(shè)定的參數(shù)及驅(qū)動器設(shè)定的電子齒輪比計算得到的轉(zhuǎn)速,與驅(qū)動器操控面板上顯示的轉(zhuǎn)速一致.根據(jù)程序中設(shè)定脈沖數(shù)與電機(jī)轉(zhuǎn)過的圈數(shù)一致,加減速時間也一致.用(D)PLSR 指令實(shí)現(xiàn)了交流伺服電機(jī)如圖６所示的梯形加減速控制.實(shí)驗(yàn)結(jié)果與預(yù)期控制結(jié)果一致.
圖６ 梯形加減速曲線
實(shí)驗(yàn)中必須注意的是所用 (D)PLSY 和 (D)PLSR指令對某個輸入元件都只能使用一次;PLC 的輸出端子需要完整的回路,才能有電流流通或?qū)刂圃骷┘与妷?所以使用到的輸出元件的 COM 口需要短接.另外還需注意實(shí)驗(yàn)的組織形式:(１)實(shí)驗(yàn)分小組進(jìn)行,小組人數(shù)以４人左右為宜,小組內(nèi)分工須嚴(yán)格明確.
(２)為提高學(xué)生的創(chuàng)新實(shí)踐能力,實(shí)驗(yàn)中所有連線都須學(xué)生親手連接,指導(dǎo)教師不給定參考程序,由學(xué)生自己靈活自由編制程序.實(shí)驗(yàn)過程中,指導(dǎo)教師主要是對連線結(jié)果進(jìn)行把關(guān),保證實(shí)驗(yàn)安全,以及指定學(xué)生必須要實(shí)現(xiàn)的電機(jī)動作.
３.結(jié)語
通過開發(fā)交流伺服電機(jī)的PLC控制綜合性實(shí)驗(yàn),讓學(xué)生設(shè)計并且實(shí)現(xiàn)了由PLC和交流伺服電機(jī)及其驅(qū)動器組成的機(jī)電控制系統(tǒng),使學(xué)生熟悉了交流伺服電機(jī)的控制方法,掌握了 PLC控制交流伺服電機(jī)程序的編寫及相關(guān)軟件.自己動手連線、操作驅(qū)動器等使學(xué)生也學(xué)到了一些教科書上沒有的知識,激發(fā)了學(xué)生對PLC控制設(shè)計的興趣,為其將來從事相關(guān)機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計工作奠定了基礎(chǔ).
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