交流伺服电机的PLC控制综合性实验开发与设计
2017-7-13 来源： 广东石油化工学院 机电工程学院 作者：陈英俊,黄崇林
摘要:为探索机械类创新应用型人才的培养模式、提高学生的工程实践能力,根据交流伺服电机的位置控制模式及PLC高速脉冲输出原理,开发和设计了交流伺服电机的 PLC控制综合性实验.实验内容包括设置交流伺服驱动器参数、电气设计与连线、运用 PLC的高速脉冲处理指令编制程序,以及控制电机按指定的速度运行、单轴快速定位和指定的加减速动作.通过实验,学生巩固和扩展了课堂知识、激发了学习兴趣、提高了教学质量.
关键词:交流伺服电机;PLC控制;综合性实验
随着交流伺服技术的发展,其技术越来越成熟,成本也不断地在降低,交流伺服电机逐渐取代直流伺服电机成为机电一体化技术和产品中主流控制用电动机[１Ｇ２].特别是在多自由度的工业机器人、现代数控机床上,交流伺服电机因为其使用的便利性及免维护性,得到了广泛的应用[３Ｇ４].交流伺服控制技术是高校机械类专业学生必须学习和实践的重要内容[５Ｇ６],而可编程控制(programmablelogicalcontroller,PLC)是在工业控制中广泛采用的一种稳定可靠的控制器,学生在高年级时已经修读过相关课程,具备了开展交流伺服电机的PLC控制综合性实验的知识基础.
本文根据探索机械类创新应用型人才培养模式的需要,以巩固机械类学生相关的专业课程知识与提高其工程实践能力、创新能力为目标,在交流伺服电动机系统和 PLC控制器组成的实验平台上,开展交流伺服电机的 PLC控制综合性实验技术研究,开发设计相应的实验项目,对提高机械类专业学生的培养质量具有实际意义。
１.实验设计原理
实验开发与设计的目的,在于学生通过在本实验中综合运用交流伺服电机与PLC控制的知识,设计和搭建出PLC控制交流伺服电机的系统,学习和掌握交流伺服电机及其驱动器的操作和使用方法,实现交流伺服电机的单轴定位和加减速等的简单控制,进一步强化学生对“机电一体化设计基础”“可编程控制器”“机电传动控制”等课程知识的掌握,提升学生的实际操作能力.同时教师利用此新的教学手段,提高教学质量和学生的学习效率.
１．１交流伺服电机及其驱动器的理论基础
对于一般简单的机电一体化控制系统,常常采用廉价的步进电机,其控制精度已经足够;对于要求控制精度高,并且速度、负载变化大的场合,则应该采用交流伺服电机,又因其使用方便,所以常常取代了直流伺服电机[７].交流伺服电机必须与驱动器配套使用才能够正常工作,伺服驱动器为伺服电动机提供动力及相应的控制信号,并且根据电动机尾部的光栅传感器检测到的电机速度或位置信号,实时调整电机动作,使其与设计人员既定的使用要求相匹配.交流伺服系统示意图如图１所示.
图１ 交流伺服系统示意图
2.交流伺服电动机的驱动器
常见的３种控制模式有:位置控制、速度控制和转矩控制[８].位置控制是通过上位机提供给伺服驱动器的脉冲控制信号来控制伺服电机动作的,而速度控制和转矩控制则是通过上位机提供的模拟量控制信号去控制伺服电机的[９].本实验选用的是８０STＧM０２４３０交流伺服电机和AASD１５A伺服驱动器,其技术规格如表１和表２所示.
表１８０STＧM０２４３０交流伺服电动机技术规格
表２AASD１５A交流伺服驱动器技术规格
交流伺服电机额定电压为常用的市电２２０V,功率在交流伺服电机中属于小功率型,体积较小;驱动器则是与交流伺服电机同一生产厂家的、功率相匹配的驱动器.这里驱动器的控制模式选用位置控制,为一种常见的、易用的、成本较低的驱动器控制模式,一般都能够满足实际机电一体化系统的控制需要.选用的设备既能达到让学生学会典型交流伺服系统的目的,而且使用方便、价格适中.
１．２PLC控制的交流伺服电机的理论基础
实验中的PLC控制器实质就相当于图１中的交流伺服驱动系统的上位机,为交流伺服驱动器提供外部的控制信号.这里驱动器的控制模式选用位置控制,则 PLC则必须选择能够输出脉冲控制信号的脉冲输出型PLC,而非继电器输出型的 PLC.本实验中直接利用PLC输出的高速脉冲信号实现交流伺服系统的简单控制.
本实验选用的 PLC 型 号 为 FX１NＧ２４MT,是日本三菱公司生产的功能强大的微型 PLC,能提供输入输出总点数为２４点(输入１４点、输出１０),能同时输出２点１００k Hz脉冲,PLC配备有７条特殊的定位指令,包括零返回、绝对位置读出、绝对或相对驱动以及特殊脉冲输出控制[１０].２ 实验开发与设计
２．１交流伺服驱动器的设置
在交流伺服电机及其驱动器连接PLC之前,必须通过其操控面板设定好驱动器参数,并且在修改后需写入保存,重启后方能生效.因此学生必须熟悉驱动器操控面板的操作.本实验中必须设置的参数如表３所示.
表３交流伺服驱动器的参数设置
这里尤其需要注意的是电子齿轮比的设置.电子齿轮比是所有交流伺服驱动器必须设置的重要参数.因为交流伺服电机的编码器反馈精度非常高,如这里采用的AASD１５A伺服驱动器的编码器为１５线增量型,其理论每圈分辨率最高为２１５＝３２７６８个脉冲.但实际采用如此高的编码器分辨率在编程和控制上并不方便,也往往不需要如此高的精度,所以一般都人工设定一个较低的分辨率,即每圈脉冲数.伺服驱动器的电子齿轮比定义为
PN０９８为电子齿轮比分子,出厂默认值为１,取值范围为１~３２７６７;PN１０２为电子齿轮比分母,出厂默认值为１,取值范围为１~３２７６７.比如欲设置交流伺服电机５０００个脉冲转１圈,则电子齿轮比为２,所以PN０９８应设为２,PN１０２应设为１;设置交流伺服电机１００００个脉冲转１圈,则电子齿轮比为１,所以 PN０９８应设为１,PN１０２应设为１,此为出厂默认值.熟悉并设置好电子齿轮比,在后续编程中才能对应地准确控制交流伺服电机的转速和位移,从而保证实验安全.
２．２PLC控制程序的编写
学生需在计算机上自行安装PLC编程软件 (如GX Works２),并且正确设置 COM 通信口,通过编程电缆实现与PLC的通信,能够顺利读取 PLC 中原来的程序.在 PLC控制交流伺服电机中,主要通过(D)PLSY和(D)PLSR 两个高速脉冲处理指令实现电机指定速度运行、单轴快速定位和指定的加减速动作.(D)PLSY 指令用于产生指定数量的脉冲.通过在程序中使用(D)PLSY 指令可以控制交流伺服电机以恒定转速转动指定圈数,实现交流伺服电机的单轴快速定位.其指令格式如图２所示[１１].
图２脉冲输出指令(D)PLSY
关于(D)PLSY 指令格式的说明:(１)图２中指定脉冲频率.对于 FX１N 系列PLC,用 １６ 位 指 令 PLSY 时,最 高 输 出 频 率 为３２７６７Hz;用３２位指令 DPLSY 时,最高输出频率为２０k Hz.实验中,交流伺服电机是位置控制也就是脉冲控制模式,是通过脉冲频率控制电机的转速,所以[S中的参数就决定了电机的转 速.但电机实际转速还需配合伺服驱动器中所设定的电子齿轮比进行计算,即电机每一圈所设定的对应的脉冲数,才能得出电机的实际转速(r/min).
(２)图２中指定脉冲数量.因为交流伺服电机为脉冲控制模式,所以中的参数就决定了电机的位移.类似于电机的实际位移也要通过伺服驱动器中所设定的电子齿轮比进行计算,才能得出电机实际转过的圈数.
(３)图２ 中 。指 定 脉 冲 输 出 元 件 号.对 于FX１N系列PLC,其输出元件号只能为 Y０或者 Y１。
图３含有(D)PLSY指令的程序示例
在图３所示程序中,DPLSY 指令的的值为K１００００,则表示输出脉冲的频率为１００００Hz,若驱动器设定的电子齿轮比为２,交流伺服电机５０００个脉冲转一圈,每秒转过１００００/５０００＝２圈,则指定了电机的转速为１２０r/min;的值为 K３００００,电机共转３００００/５０００＝６圈;脉冲输出元件为 Y０,方向信号输出元件为Y２,为低电平,电机顺时针转动.(D)PLSR 是带加减速功能的脉冲输出指令.通过在程序中使用(D)PLSR 指令可以控制交流伺服电机以较平稳的速度启动或者制动,可以用来减小对机械零部件的冲击或者使得在转速变化过程中容易采集相关数据[１２].其指令格式如图４所示[１１].
图４ 脉冲输出指令(D)PLSR
(D)PLSR 指令按[指定的最高频率分１０级减速,达到指定的输出脉冲数后分１０级减速.关于(D)PLSR 指令格式的说明:(１)指定脉冲输出元件,与(D)PLSY 指令类似,只能指定 Y０或者 Y１;(２)设定 对 应 电 机 的 最 高 转 速 的 最 高 频率,对于 FX１N 系列 PLC 最高可设为１００k Hz,并且必须为１０的倍数,实际电机转速的计算与上述使用)PLSY 指令类似;(３)设 定 总 输 出 脉 冲 数,使 用 １６ 位 指 令PLSR时,设 定 最 大 值 为 ３２７６７,使 用 ３２ 位 指 令DPLSR时,设定最大值为２１４７４８３６４７;(４)设定加减速时间,单位为 ms,最大值为５０００ms,并且还需满足下列公式
２．３实验电气连线
实验的电气连线主要分为２部分.一部分是交流伺服电机与其驱动器连线,即完成如图１所示的交流伺服电机系统连接.具体连接如下:伺服驱动器有３条电源线引脚,L１、L２、L３.对于小于１０００ W的交流伺服电机,一般接单相２２０V,即接L１、L２即可.电机线 U、V、W、E 和驱动器的 U、V、W、地引脚一一对应连接.将厂家提供的电机编码器线与驱动器CN３直接相连.这部分的连线一般是连接好后,以后无论采用何种上位机对交流伺服电机进行控制,都不需要改变的.实验的电气连线另外一部分是伺服驱动器余下的CN２与上位机PLC的 连接.CN２为交流伺服系统的控制信号输入接口.CN２接口一共包含２５个引脚,采用位置控制模式的话只用到其中少数几个引脚.PLC 输出的是２４V 脉冲信号,按照伺服驱动器说明书,如图 ５ 所示连接至PLC.其中的方向信号引脚,按照默认逻辑如果接到２４V高电平的信号或者悬空,则电机逆时针转动,若接到低电平信号０V,则电机顺时针转动.
图５驱动器接口与 PLC连线
２．４实验结果与注意事项
实验中,通过编制含有(D)PLSY 和(D)PLSR 两个指令的程序,均能使得交流伺服电机动作,并且根据程序中设定的参数及驱动器设定的电子齿轮比计算得到的转速,与驱动器操控面板上显示的转速一致.根据程序中设定脉冲数与电机转过的圈数一致,加减速时间也一致.用(D)PLSR 指令实现了交流伺服电机如图６所示的梯形加减速控制.实验结果与预期控制结果一致.
图６ 梯形加减速曲线
实验中必须注意的是所用 (D)PLSY 和 (D)PLSR指令对某个输入元件都只能使用一次;PLC 的输出端子需要完整的回路,才能有电流流通或对控制元器件施加电压,所以使用到的输出元件的 COM 口需要短接.另外还需注意实验的组织形式:(１)实验分小组进行,小组人数以４人左右为宜,小组内分工须严格明确.
(２)为提高学生的创新实践能力,实验中所有连线都须学生亲手连接,指导教师不给定参考程序,由学生自己灵活自由编制程序.实验过程中,指导教师主要是对连线结果进行把关,保证实验安全,以及指定学生必须要实现的电机动作.
３.结语
通过开发交流伺服电机的PLC控制综合性实验,让学生设计并且实现了由PLC和交流伺服电机及其驱动器组成的机电控制系统,使学生熟悉了交流伺服电机的控制方法,掌握了 PLC控制交流伺服电机程序的编写及相关软件.自己动手连线、操作驱动器等使学生也学到了一些教科书上没有的知识,激发了学生对PLC控制设计的兴趣,为其将来从事相关机电一体化系统设计工作奠定了基础.
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