交流伺服電機的PLC控制綜合性實驗開發(fā)與設計
2017-7-13 來源： 廣東石油化工學院 機電工程學院 作者：陳英俊,黃崇林
摘要:為探索機械類創(chuàng)新應用型人才的培養(yǎng)模式、提高學生的工程實踐能力,根據(jù)交流伺服電機的位置控制模式及PLC高速脈沖輸出原理,開發(fā)和設計了交流伺服電機的 PLC控制綜合性實驗.實驗內(nèi)容包括設置交流伺服驅(qū)動器參數(shù)、電氣設計與連線、運用 PLC的高速脈沖處理指令編制程序,以及控制電機按指定的速度運行、單軸快速定位和指定的加減速動作.通過實驗,學生鞏固和擴展了課堂知識、激發(fā)了學習興趣、提高了教學質(zhì)量.
關鍵詞:交流伺服電機;PLC控制;綜合性實驗
隨著交流伺服技術的發(fā)展,其技術越來越成熟,成本也不斷地在降低,交流伺服電機逐漸取代直流伺服電機成為機電一體化技術和產(chǎn)品中主流控制用電動機[１Ｇ２].特別是在多自由度的工業(yè)機器人、現(xiàn)代數(shù)控機床上,交流伺服電機因為其使用的便利性及免維護性,得到了廣泛的應用[３Ｇ４].交流伺服控制技術是高校機械類專業(yè)學生必須學習和實踐的重要內(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,學生在高年級時已經(jīng)修讀過相關課程,具備了開展交流伺服電機的PLC控制綜合性實驗的知識基礎.
本文根據(jù)探索機械類創(chuàng)新應用型人才培養(yǎng)模式的需要,以鞏固機械類學生相關的專業(yè)課程知識與提高其工程實踐能力、創(chuàng)新能力為目標,在交流伺服電動機系統(tǒng)和 PLC控制器組成的實驗平臺上,開展交流伺服電機的 PLC控制綜合性實驗技術研究,開發(fā)設計相應的實驗項目,對提高機械類專業(yè)學生的培養(yǎng)質(zhì)量具有實際意義。
１.實驗設計原理
實驗開發(fā)與設計的目的,在于學生通過在本實驗中綜合運用交流伺服電機與PLC控制的知識,設計和搭建出PLC控制交流伺服電機的系統(tǒng),學習和掌握交流伺服電機及其驅(qū)動器的操作和使用方法,實現(xiàn)交流伺服電機的單軸定位和加減速等的簡單控制,進一步強化學生對“機電一體化設計基礎”“可編程控制器”“機電傳動控制”等課程知識的掌握,提升學生的實際操作能力.同時教師利用此新的教學手段,提高教學質(zhì)量和學生的學習效率.
１．１交流伺服電機及其驅(qū)動器的理論基礎
對于一般簡單的機電一體化控制系統(tǒng),常常采用廉價的步進電機,其控制精度已經(jīng)足夠;對于要求控制精度高,并且速度、負載變化大的場合,則應該采用交流伺服電機,又因其使用方便,所以常常取代了直流伺服電機[７].交流伺服電機必須與驅(qū)動器配套使用才能夠正常工作,伺服驅(qū)動器為伺服電動機提供動力及相應的控制信號,并且根據(jù)電動機尾部的光柵傳感器檢測到的電機速度或位置信號,實時調(diào)整電機動作,使其與設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提供給伺服驅(qū)動器的脈沖控制信號來控制伺服電機動作的,而速度控制和轉(zhuǎn)矩控制則是通過上位機提供的模擬量控制信號去控制伺服電機的[９].本實驗選用的是８０STＧM０２４３０交流伺服電機和AASD１５A伺服驅(qū)動器,其技術規(guī)格如表１和表２所示.
表１８０STＧM０２４３０交流伺服電動機技術規(guī)格
表２AASD１５A交流伺服驅(qū)動器技術規(guī)格
交流伺服電機額定電壓為常用的市電２２０V,功率在交流伺服電機中屬于小功率型,體積較小;驅(qū)動器則是與交流伺服電機同一生產(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,一般都能夠滿足實際機電一體化系統(tǒng)的控制需要.選用的設備既能達到讓學生學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的理論基礎
實驗中的PLC控制器實質(zhì)就相當于圖１中的交流伺服驅(qū)動系統(tǒng)的上位機,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.本實驗中直接利用PLC輸出的高速脈沖信號實現(xiàn)交流伺服系統(tǒng)的簡單控制.
本實驗選用的 PLC 型 號 為 FX１NＧ２４MT,是日本三菱公司生產(chǎn)的功能強大的微型 PLC,能提供輸入輸出總點數(shù)為２４點(輸入１４點、輸出１０),能同時輸出２點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 實驗開發(fā)與設計
２．１交流伺服驅(qū)動器的設置
在交流伺服電機及其驅(qū)動器連接PLC之前,必須通過其操控面板設定好驅(qū)動器參數(shù),并且在修改后需寫入保存,重啟后方能生效.因此學生必須熟悉驅(qū)動器操控面板的操作.本實驗中必須設置的參數(shù)如表３所示.
表３交流伺服驅(qū)動器的參數(shù)設置
這里尤其需要注意的是電子齒輪比的設置.電子齒輪比是所有交流伺服驅(qū)動器必須設置的重要參數(shù).因為交流伺服電機的編碼器反饋精度非常高,如這里采用的AASD１５A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,出廠默認值為１,取值范圍為１~３２７６７;PN１０２為電子齒輪比分母,出廠默認值為１,取值范圍為１~３２７６７.比如欲設置交流伺服電機５０００個脈沖轉(zhuǎn)１圈,則電子齒輪比為２,所以PN０９８應設為２,PN１０２應設為１;設置交流伺服電機１００００個脈沖轉(zhuǎn)１圈,則電子齒輪比為１,所以 PN０９８應設為１,PN１０２應設為１,此為出廠默認值.熟悉并設置好電子齒輪比,在后續(xù)編程中才能對應地準確控制交流伺服電機的轉(zhuǎn)速和位移,從而保證實驗安全.
２．２PLC控制程序的編寫
學生需在計算機上自行安裝PLC編程軟件 (如GX Works２),并且正確設置 COM 通信口,通過編程電纜實現(xiàn)與PLC的通信,能夠順利讀取 PLC 中原來的程序.在 PLC控制交流伺服電機中,主要通過(D)PLSY和(D)PLSR 兩個高速脈沖處理指令實現(xiàn)電機指定速度運行、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以恒定轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)動指定圈數(shù),實現(xiàn)交流伺服電機的單軸快速定位.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.實驗中,交流伺服電機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的轉(zhuǎn)速,所以[S中的參數(shù)就決定了電機的轉(zhuǎn) 速.但電機實際轉(zhuǎn)速還需配合伺服驅(qū)動器中所設定的電子齒輪比進行計算,即電機每一圈所設定的對應的脈沖數(shù),才能得出電機的實際轉(zhuǎn)速(r/min).
(２)圖２中指定脈沖數(shù)量.因為交流伺服電機為脈沖控制模式,所以中的參數(shù)就決定了電機的位移.類似于電機的實際位移也要通過伺服驅(qū)動器中所設定的電子齒輪比進行計算,才能得出電機實際轉(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)動器設定的電子齒輪比為２,交流伺服電機５０００個脈沖轉(zhuǎn)一圈,每秒轉(zhuǎn)過１００００/５０００＝２圈,則指定了電機的轉(zhuǎn)速為１２０r/min;的值為 K３００００,電機共轉(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以較平穩(wěn)的速度啟動或者制動,可以用來減小對機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,達到指定的輸出脈沖數(shù)后分１０級減速.關于(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)設定 對 應 電 機 的 最 高 轉(zhuǎn) 速 的 最 高 頻率,對于 FX１N 系列 PLC 最高可設為１００k Hz,并且必須為１０的倍數(shù),實際電機轉(zhuǎn)速的計算與上述使用)PLSY 指令類似;(３)設 定 總 輸 出 脈 沖 數(shù),使 用 １６ 位 指 令PLSR時,設 定 最 大 值 為 ３２７６７,使 用 ３２ 位 指 令DPLSR時,設定最大值為２１４７４８３６４７;(４)設定加減速時間,單位為 ms,最大值為５０００ms,并且還需滿足下列公式
２．３實驗電氣連線
實驗的電氣連線主要分為２部分.一部分是交流伺服電機與其驅(qū)動器連線,即完成如圖１所示的交流伺服電機系統(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,一般接單相２２０V,即接L１、L２即可.電機線 U、V、W、E 和驅(qū)動器的 U、V、W、地引腳一一對應連接.將廠家提供的電機編碼器線與驅(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對交流伺服電機進行控制,都不需要改變的.實驗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,按照默認邏輯如果接到２４V高電平的信號或者懸空,則電機逆時針轉(zhuǎn)動,若接到低電平信號０V,則電機順時針轉(zhuǎn)動.
圖５驅(qū)動器接口與 PLC連線
２．４實驗結果與注意事項
實驗中,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動作,并且根據(jù)程序中設定的參數(shù)及驅(qū)動器設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)程序中設定脈沖數(shù)與電機轉(zhuǎn)過的圈數(shù)一致,加減速時間也一致.用(D)PLSR 指令實現(xiàn)了交流伺服電機如圖６所示的梯形加減速控制.實驗結果與預期控制結果一致.
圖６ 梯形加減速曲線
實驗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.另外還需注意實驗的組織形式:(１)實驗分小組進行,小組人數(shù)以４人左右為宜,小組內(nèi)分工須嚴格明確.
(２)為提高學生的創(chuàng)新實踐能力,實驗中所有連線都須學生親手連接,指導教師不給定參考程序,由學生自己靈活自由編制程序.實驗過程中,指導教師主要是對連線結果進行把關,保證實驗安全,以及指定學生必須要實現(xiàn)的電機動作.
３.結語
通過開發(fā)交流伺服電機的PLC控制綜合性實驗,讓學生設計并且實現(xiàn)了由PLC和交流伺服電機及其驅(qū)動器組成的機電控制系統(tǒng),使學生熟悉了交流伺服電機的控制方法,掌握了 PLC控制交流伺服電機程序的編寫及相關軟件.自己動手連線、操作驅(qū)動器等使學生也學到了一些教科書上沒有的知識,激發(fā)了學生對PLC控制設計的興趣,為其將來從事相關機電一體化系統(tǒng)設計工作奠定了基礎.
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