应用 PLC 控制交流伺服驱动来精准定位教学探讨
2017-5-16 来源：台州职业技术学院 作者：范 忠
摘要：PLC 控制伺服驱动器来控制电机目前已广泛应用于数控机床、机器人、轻功机械、纺织机械、医疗器械、自动化生产线、半导体生产等各种有精准调速、定位要求场合。如何教会高职学生掌握这门技术，文章对此做了一些说明。
关键词：PLC；伺服驱动器；抗干扰
现在伺服电机系统融合了电机、计算机、电力电子、自动控制、精密机械、新材料和新科技等多种高新技术。伺服电机不同于一般的变频调速电机，它除了实现调速功能以外，还要实现位置、加速度、转矩的控制，而且动态特性也要常常高于一般变频调速电机。数字化交流伺服系统是随自动控制理论、计算机控制技术和电机控制技术的发展而出现的新型机电一体化系统，是通过计算机控制的开环或闭环系统，克服了传统直流电机伺服系统缺点，获得的十分广泛的应用。为了让高职学生能够掌握这门技术，要求学生在单个学会 PLC 编程与伺服驱动控制基础上从以下六个方面学习。
1.精准定位整体设计
位置控制的根本任务就是使执行机构对位置指令精准跟踪，被控量一般是负载的空间位移，当给定量随机变化时，系统能使被控量无误地跟踪并反馈给定量，给定量可能是角位移或直线位移。所以位置控制必然是一个反馈控制系统，组成位置控制回路。该精准定位系统的整体结构是由触摸屏、可编程逻辑控制 PLC、交流伺服驱动器、交流伺服电机，滚珠丝杆工作台构成一个闭环控制系统。以实现丝杆精密进给。在位置控制方式下，伺服驱动器接收 PLC 发出的位置指令信号脉冲方向，送入脉冲列形态，经电子齿轮分 / 倍频后，在偏差可逆计数器中与反馈脉冲信号比较后形成偏差信号。反馈脉冲是由光电编码器检测到实际所产生的脉冲数，经四倍频后产生的。位置偏差信号经位置环的复合前馈控制器调节后，形成速度指令信号。速度指令信号与速度反馈信号、位置检测装置相同比较后的偏差信号经速度环比例积分控制器调节后产生电流指令信号，在电流环中经矢量变化后，由 SPWM 输出转矩电流，控制交流伺服电机运行。位置控制精度由旋转编码器每转产生脉冲数来控制，本系统采用的是增量式光电编码器。
2.整个控制系统技术要求与指标
整个系统要求具有以下功能：手动操作、自动操作、断电保护、可靠的故障诊断和字处理四项功能，技术指标是进给速度在 50mm/s~150mm/s，较高的定位控制精度 1μm。
3.电子齿轮比
与电子齿轮比设定相关的要素为：分辨率、螺距、电机与轴传动比、移动负载位置数据的最小单位，也就是指令单位。电子齿轮比（N/M）= 编码器最大分辨率乘轴传动比乘以指令单位除以移动螺距，台达伺服电机编码器每转输出脉冲数均为 40000，4 倍频后，最大分辨率为 40000*4=160000。例如，丝杆螺距 5mm，指令单位 1μm，直接传动，则电子齿轮比=（160000*1μm*1）/5mm=32。电子齿轮比在伺服驱动器参数P1-44 设成 32，参数 P1-45 设为 1。
4. 限位开关电路设计
工作台在丝杆运行时，必须有限位开关来保护两端极限，控制其左限位、原点、有限位。电路采用 MOCH21A 芯片，这芯片由发光二极管和三极管构成，其原理是：PLC 通过采集 4 号引脚电压是高电平还是低电平，这芯片 4 脚是集电极开路 OC门，需要上拉电阻 1000Ω，由 PLC 提供 24V 电源，当工作台到达极限或者原点位置，PLC 采集是高电平 24V，否则 PLC 采集电压为 0V。
5.差分电路设计
伺服电机的速度闭环控制，光电脉冲编码器实时监检测电动机转子位置信息，其检测精度直接影响对电机的控制精度。其原理是伺服驱动器与电动机同轴相连的光电编码器将电机角位移量转换成脉冲信号，转轴每旋转一周，脉冲发生器输出一定的脉冲数，其输出的脉冲频率与转速成正比，A 脉冲与 B 脉冲相位相差 90°，来判断 A 脉冲超前滞后 B 脉冲来判断转动方向。Z 脉冲是发出一转脉冲，可获得零位参考位置。这脉冲信号经过驱动器传给 PLC，经 PLC 内部高速计数器来统计编码器发出脉冲个数实现定位，由于伺服驱动器输出的 3 组脉冲 A 脉冲、B 脉冲、Z 脉冲为差分信号，A 脉冲、B脉冲用来知道转速快慢和方向，Z 脉冲用来找原点。基于 A、B、Z 信号都是差分信号，即为双端输入信号，而其 PLC 需要的输入信号是单端输入信号，必须通过差分信号处理电路，将双端输入转换成单端输出。差分处理电路选用 MAX485 来完成，MAX485 是用于 RS-422 与 RS-485 通信的低功耗收发器，可以实现的传输速率最高为 2.5Mbps，MAX485 芯片的内部包括：驱动器和接收器，RO 端为接收器的输出端，DI 端为驱动器的输入端，RE 端为接受使能端，DE 端为发送的使能端，芯片使用方便，连线简单。MAX485 工作在半双工状态，所以当 DE 为逻辑 0 时，器件则处于接收状态；而当 RE 为逻辑 1 时，器件处于发送状态。A、B 两端分别为接收和发送的差分信号端，若 A 引脚的电平比 B 引脚的电平低，则发送的数据为 0，而 A 引脚的电平比 B 引脚的电平高，发送的数据为 1。
6.光电隔离电路的总体设计
A、B、Z 信号输出时，会受到外界干扰，会使 PLC 计数脉冲信号计数不准确，通过光电隔离电路的作用把干扰源与有用脉冲信号隔离出来，切断干扰通道，使监控装置与现场保持信号联系，而不直接联系，达到防止干扰作用。通过电、光、电这种转换，利用“光”这种环节隔离，使输入输出在电气上完全隔离这种方法，学生必须去学会应用，且去了解其它隔离方式，继电器隔离、变压器隔离以及隔离放大器等。因为精确定位系统对数据传输速度要求较高，该电路选择高速光耦 6N137，6N137 是一款通用光电耦合器，包含一个砷化镓红外发光二极管，硅光电晶体管，光电耦合器能够将电信号变成光信号再变成电信号，主要起到信号耦合，电的隔离。6N137 的 6 脚，因其是集电极开路输出端，通常会接上一个上拉 5600Ω 电阻，电阻不能太小，如果电阻太小，6N137 耗电和电源冲击都会跟着加大，使旁路电容无法吸收，整个模块的电源因此受到干扰，甚至电线上会产生尖峰噪音。
7.结语
PLC 伺服控制系统实现精度定位的设计，能提高生产效率及很高运动控制精确度，能让高职学生掌握好这门技术，通过 PLC、伺服系统、光电编码器，实现位置精准定位，和学会采取一些必要抗干扰措施有一定意义。
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