前言

20世紀(jì)80年代以來(lái)，隨著集成電路、電力電子技術(shù)和交流可變速驅(qū)動(dòng)技術(shù)的發(fā)展，永磁交流伺服驅(qū)動(dòng)技術(shù)有了突出的發(fā)展，各國(guó)著名電氣廠商相繼推出各自的交流伺服電動(dòng)機(jī)和伺服驅(qū)動(dòng)器系列產(chǎn)品并不斷完善和更新。交流伺服系統(tǒng)已成為當(dāng)代高性能伺服系統(tǒng)的主要發(fā)展方向，使原來(lái)的直流伺服面臨被淘汰的危機(jī)。90年代以后，世界各國(guó)已經(jīng)商品化了的交流伺服系統(tǒng)是采用全數(shù)字控制的正弦波電動(dòng)機(jī)伺服驅(qū)動(dòng)。交流伺服驅(qū)動(dòng)裝置在傳動(dòng)領(lǐng)域的發(fā)展日新月異。

交流伺服電動(dòng)機(jī)定子的構(gòu)造基本上與電容分相式單相異步電動(dòng)機(jī)相似.其定子上裝有兩個(gè)位置互差90°的繞組，一個(gè)是勵(lì)磁繞組Rf，它始終接在交流電壓Uf上；另一個(gè)是控制繞組L，聯(lián)接控制信號(hào)電壓Uc。所以交流伺服電動(dòng)機(jī)又稱(chēng)兩個(gè)伺服電動(dòng)機(jī)。伺服電機(jī)又稱(chēng)執(zhí)行電機(jī)，它是控制電機(jī)的一種。它是一種用電脈沖信號(hào)進(jìn)行控制的，并將脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)變成相應(yīng)的角位移或直線位移和角速度的執(zhí)行元件。根據(jù)控制對(duì)象的不同，由伺服電機(jī)組成的伺服系統(tǒng)一般有三種基本控制方式，即位置控制、速度控制、力矩控制。本系統(tǒng)本文采用位置控制。

20世紀(jì)末期，可編程控制器的發(fā)展特點(diǎn)是更加適應(yīng)于現(xiàn)代工業(yè)的需要。這個(gè)時(shí)期發(fā)展了大型機(jī)和超小型機(jī)、誕生了各種各樣的特殊功能單元、生產(chǎn)了各種人機(jī)界面單元、通信單元，使應(yīng)用可編程控制器的工業(yè)控制設(shè)備的配套更加容易。PLC在自動(dòng)化控制領(lǐng)域中，應(yīng)用十分廣泛。尤其是近幾年P(guān)LC在處理速度，指令及容量、單軸控制方面得到飛速的發(fā)展，使得PLC在控制伺服電機(jī)方面也變得簡(jiǎn)單易行。

1、元件的選型

1.1PLC選型

因?yàn)樗欧姍C(jī)的位移量與輸入脈沖個(gè)數(shù)成正比，伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)速與脈沖頻率成正比，所以本文需要對(duì)電機(jī)的脈沖個(gè)數(shù)和脈沖頻率進(jìn)行精確控制。且由于伺服電機(jī)具有無(wú)累計(jì)誤差、跟蹤性能好的優(yōu)點(diǎn)，伺服電機(jī)的控制主要采用開(kāi)環(huán)數(shù)字控制系統(tǒng)，通常在使用時(shí)要搭配伺服驅(qū)動(dòng)器進(jìn)行控制，而伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)器采用了大規(guī)模集成電路，具有高抗干擾性及快速的響應(yīng)性。在使用伺服驅(qū)動(dòng)器時(shí)，往往需要較高頻率的脈沖，所以就要求所使用的PLC能產(chǎn)生高頻率脈沖。三菱公司的FX3U晶體管輸出的PLC可以進(jìn)行6點(diǎn)同時(shí)100kHz高速計(jì)數(shù)及3軸獨(dú)立100kHz的定位功能，并且可以通過(guò)基本指令0.065μs、PCMIX值實(shí)現(xiàn)了以4.5倍的高速度，完全滿(mǎn)足了本文控制伺服電機(jī)的要求，所以本文選用FX3U-48MT-ES-A型PLC作為主控制單元。

1.2伺服電機(jī)的選型

在選擇伺服電機(jī)和驅(qū)動(dòng)器時(shí)，只需要知道電機(jī)驅(qū)動(dòng)負(fù)載的轉(zhuǎn)距要求及安裝方式即可，本文選擇額定轉(zhuǎn)距為2.4N·m，額定轉(zhuǎn)速為3000r/min，每轉(zhuǎn)為131072p/rev分辨率的三菱公司HF-KE73W1-S100伺服電機(jī)，與之配套使用的驅(qū)動(dòng)器本文選用MR-E-70A-KH003伺服驅(qū)動(dòng)器。三菱的此款伺服系統(tǒng)具有500Hz的高響應(yīng)性，高精度定位，高水平的自動(dòng)調(diào)節(jié)，能輕易實(shí)現(xiàn)增益設(shè)置，且采用自適應(yīng)振動(dòng)抑止控制，有位置、速度和轉(zhuǎn)距三種控制功能，完全滿(mǎn)足要求。

同時(shí)本文采用三菱GT1155-QFBD-C型觸摸屏，對(duì)伺服電機(jī)進(jìn)行自動(dòng)操作控制。

2、PLC控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本文需要伺服電機(jī)實(shí)現(xiàn)正點(diǎn)、反點(diǎn)、原點(diǎn)回歸和自動(dòng)調(diào)節(jié)等動(dòng)作，另外為確保本系統(tǒng)的精確性本文增加編碼器對(duì)伺服電機(jī)進(jìn)行閉環(huán)控制。PLC控制系統(tǒng)I/O接線圖如圖1所示。

圖1 I/O接線圖

上圖中的公共端的電源不能直接接在輸入端的24V電源上。根據(jù)控制要求設(shè)計(jì)了PLC控制系統(tǒng)梯形圖如圖2。

圖2 梯形圖

M806控制伺服急停，M801控制伺服電機(jī)原點(diǎn)回歸，M802控制伺服正點(diǎn)，M803控制伺服反點(diǎn)，M804為自動(dòng)調(diào)節(jié)，M805為壓力校正即編碼器的補(bǔ)償輸入。在電機(jī)運(yùn)行前需要首先進(jìn)行原點(diǎn)回歸，以確保系統(tǒng)的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性，當(dāng)M50和M53同時(shí)接通時(shí)，伺服電機(jī)以2kHz的速度從Y0輸出脈沖，開(kāi)始做原點(diǎn)回歸動(dòng)作，當(dāng)碰到近點(diǎn)信號(hào)M30＝ON時(shí)，變成寸動(dòng)速度1kHz，從Y0輸出脈沖直到M30=OFF后停止。M30是在自動(dòng)調(diào)節(jié)時(shí)，電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的角度與零點(diǎn)相等時(shí)為ON。

電機(jī)在進(jìn)行正反點(diǎn)時(shí)，本文采用FX3U具有的專(zhuān)用表格定位指令DTBLS1S2；在使用表格定位之前，本文首先要在梯形圖左邊的PLCparameter（PLC參數(shù)）中進(jìn)行定位設(shè)定。正反點(diǎn)控制本文采用指令DRVAS1S2D1D2絕對(duì)定位指令。在自動(dòng)運(yùn)行時(shí)，本文利用PLC內(nèi)強(qiáng)大的浮點(diǎn)運(yùn)算指令，根據(jù)系統(tǒng)的多方面參數(shù)進(jìn)行計(jì)算；在操作時(shí)，本文只需要在觸摸屏上設(shè)定參數(shù)，伺服電機(jī)便根據(jù)程序里的運(yùn)算公式轉(zhuǎn)化成為脈沖信號(hào)輸出到驅(qū)動(dòng)器,驅(qū)動(dòng)器給電機(jī)信號(hào)運(yùn)轉(zhuǎn)。在伺服電機(jī)運(yùn)行的過(guò)程中為確保電機(jī)能達(dá)到本文需要的精度，本文采用增量式編碼器與伺服電機(jī)形成閉環(huán)控制，本文把計(jì)算到的角度與編碼器實(shí)際測(cè)量角度進(jìn)行比較，根據(jù)結(jié)果調(diào)整伺服電機(jī)的脈沖輸出，從而實(shí)現(xiàn)高精度定位。整個(gè)程序本文采用步進(jìn)指令控制（也可以采用一般指令控制），簡(jiǎn)單方便。

3、伺服控制系統(tǒng)設(shè)置

3.1伺服驅(qū)動(dòng)器的接線

伺服系統(tǒng)的接線很簡(jiǎn)單，本文只需要按照規(guī)定接入相對(duì)應(yīng)的插頭即可。將三相電源線L1,L2,L3插頭接入CPN1，將伺服電機(jī)插頭接入CN2，將編碼器插頭接入CNP2，控制線插頭接入CN1。本文在調(diào)試程序時(shí)需要用伺服電機(jī)的專(zhuān)用軟件，通過(guò)RS422接口接到伺服系統(tǒng)的CN3上即可。

對(duì)于CN1控制線接法如表1所示。

表1控制線接法

3.2伺服驅(qū)動(dòng)器的參數(shù)設(shè)定

系統(tǒng)采用定位控制。三菱MR-E系列的伺服驅(qū)動(dòng)器，主要有兩組參數(shù)，一組為基本參數(shù)，另一組為擴(kuò)展參數(shù)，根據(jù)本系統(tǒng)要求，本文主要設(shè)定基本參數(shù)，主要有NO.0,NO.1,NO.2,NO.3,NO.4,NO.5,NO.7,NO.18,NO.19，擴(kuò)展參數(shù)要根據(jù)具體情況進(jìn)行設(shè)定。

同時(shí)本文也可以通過(guò)伺服設(shè)置軟件SETUP221E進(jìn)行參數(shù)設(shè)置。本文在伺服電機(jī)進(jìn)行調(diào)試過(guò)程中建議先設(shè)為速度模式，進(jìn)行伺服電機(jī)的點(diǎn)動(dòng)測(cè)試。

4、觸摸屏程序設(shè)計(jì)

建立初始畫(huà)面，在畫(huà)面上分別設(shè)置按鈕開(kāi)關(guān)，在開(kāi)關(guān)上分別寫(xiě)上，壓力+、壓力-、原點(diǎn)回歸、自動(dòng)調(diào)節(jié)、壓力校正、伺服急停等字樣，其中繼電器的對(duì)應(yīng)情況如上所寫(xiě)。控制畫(huà)面和參數(shù)顯示畫(huà)面如圖3和圖4所示。

圖3上位機(jī)畫(huà)面設(shè)置圖

圖4上位機(jī)參數(shù)顯示圖

本系統(tǒng)同時(shí)還設(shè)置有手動(dòng)調(diào)節(jié)功能，確保在自動(dòng)調(diào)節(jié)出現(xiàn)問(wèn)題時(shí)及時(shí)補(bǔ)救。觸摸屏上本文設(shè)置了指示燈，可顯示此時(shí)的工作狀態(tài)。同時(shí)本文在手動(dòng)和自動(dòng)指示燈的中間部分，設(shè)置了脈沖的輸出指示，即伺服電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)指示,當(dāng)有脈沖輸出時(shí),會(huì)有“脈沖輸出中”的紅色指示燈出現(xiàn)。當(dāng)無(wú)紅色指示燈顯示時(shí),即表示電機(jī)有故障,此時(shí)操作者需根據(jù)伺服驅(qū)動(dòng)器上顯示的異常字母進(jìn)行故障查詢(xún)，簡(jiǎn)單方便。

5、總結(jié)

利用PLC可以直接對(duì)伺服電機(jī)進(jìn)行位置和速度控制，無(wú)需增加定位模塊，節(jié)約成本。PLC的處理速度高，輸出脈沖的頻率也很高，而且指令也很簡(jiǎn)單，在系統(tǒng)聯(lián)機(jī)的情況下也可方便地進(jìn)行所有指令的修改工作。本系統(tǒng)通過(guò)觸摸屏進(jìn)行調(diào)節(jié)控制,使操作簡(jiǎn)單,也減少了在運(yùn)行過(guò)程中的故障查找環(huán)節(jié)，大大提高了工作效率。系統(tǒng)運(yùn)用一年多來(lái)，從未出現(xiàn)故障，穩(wěn)定性好，且定位精確，為用戶(hù)節(jié)約很多時(shí)間。

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