前言

20世紀(jì)80年代以來，隨著集成電路、電力電子技術(shù)和交流可變速驅(qū)動技術(shù)的發(fā)展，永磁交流伺服驅(qū)動技術(shù)有了突出的發(fā)展，各國著名電氣廠商相繼推出各自的交流伺服電動機(jī)和伺服驅(qū)動器系列產(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，使原來的直流伺服面臨被淘汰的危機(jī)。90年代以后，世界各國已經(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機(jī)伺服驅(qū)動。交流伺服驅(qū)動裝置在傳動領(lǐng)域的發(fā)展日新月異。

交流伺服電動機(jī)定子的構(gòu)造基本上與電容分相式單相異步電動機(jī)相似.其定子上裝有兩個位置互差90°的繞組，一個是勵磁繞組Rf，它始終接在交流電壓Uf上；另一個是控制繞組L，聯(lián)接控制信號電壓Uc。所以交流伺服電動機(jī)又稱兩個伺服電動機(jī)。伺服電機(jī)又稱執(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進(jìn)行控制的，并將脈沖信號轉(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)展特點是更加適應(yīng)于現(xiàn)代工業(yè)的需要。這個時期發(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)方面也變得簡單易行。

1、元件的選型

1.1PLC選型

因為伺服電機(jī)的位移量與輸入脈沖個數(shù)成正比，伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)速與脈沖頻率成正比，所以本文需要對電機(jī)的脈沖個數(shù)和脈沖頻率進(jìn)行精確控制。且由于伺服電機(jī)具有無累計誤差、跟蹤性能好的優(yōu)點，伺服電機(jī)的控制主要采用開環(huán)數(shù)字控制系統(tǒng)，通常在使用時要搭配伺服驅(qū)動器進(jìn)行控制，而伺服電機(jī)驅(qū)動器采用了大規(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)動器時，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點同時100kHz高速計數(shù)及3軸獨立100kHz的定位功能，并且可以通過基本指令0.065μs、PCMIX值實現(xiàn)了以4.5倍的高速度，完全滿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)動器時，只需要知道電機(jī)驅(qū)動負(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)動器本文選用MR-E-70A-KH003伺服驅(qū)動器。三菱的此款伺服系統(tǒng)具有500Hz的高響應(yīng)性，高精度定位，高水平的自動調(diào)節(jié)，能輕易實現(xiàn)增益設(shè)置，且采用自適應(yīng)振動抑止控制，有位置、速度和轉(zhuǎn)距三種控制功能，完全滿足要求。

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

2、PLC控制系統(tǒng)設(shè)計

本文需要伺服電機(jī)實現(xiàn)正點、反點、原點回歸和自動調(diào)節(jié)等動作，另外為確保本系統(tǒng)的精確性本文增加編碼器對伺服電機(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)原點回歸，M802控制伺服正點，M803控制伺服反點，M804為自動調(diào)節(jié)，M805為壓力校正即編碼器的補(bǔ)償輸入。在電機(jī)運行前需要首先進(jìn)行原點回歸，以確保系統(tǒng)的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性，當(dāng)M50和M53同時接通時，伺服電機(jī)以2kHz的速度從Y0輸出脈沖，開始做原點回歸動作，當(dāng)碰到近點信號M30＝ON時，變成寸動速度1kHz，從Y0輸出脈沖直到M30=OFF后停止。M30是在自動調(diào)節(jié)時，電機(jī)轉(zhuǎn)動的角度與零點相等時為ON。

電機(jī)在進(jìn)行正反點時，本文采用FX3U具有的專用表格定位指令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。正反點控制本文采用指令DRVAS1S2D1D2絕對定位指令。在自動運行時，本文利用PLC內(nèi)強(qiáng)大的浮點運算指令，根據(jù)系統(tǒng)的多方面參數(shù)進(jìn)行計算；在操作時，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)程序里的運算公式轉(zhuǎn)化成為脈沖信號輸出到驅(qū)動器,驅(qū)動器給電機(jī)信號運轉(zhuǎn)。在伺服電機(jī)運行的過程中為確保電機(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，本文把計算到的角度與編碼器實際測量角度進(jìn)行比較，根據(jù)結(jié)果調(diào)整伺服電機(jī)的脈沖輸出，從而實現(xiàn)高精度定位。整個程序本文采用步進(jìn)指令控制（也可以采用一般指令控制），簡單方便。

3、伺服控制系統(tǒng)設(shè)置

3.1伺服驅(qū)動器的接線

伺服系統(tǒng)的接線很簡單，本文只需要按照規(guī)定接入相對應(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)試程序時需要用伺服電機(jī)的專用軟件，通過RS422接口接到伺服系統(tǒng)的CN3上即可。

對于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。

同時本文也可以通過伺服設(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)試過程中建議先設(shè)為速度模式，進(jìn)行伺服電機(jī)的點動測試。

4、觸摸屏程序設(shè)計

建立初始畫面，在畫面上分別設(shè)置按鈕開關(guān)，在開關(guān)上分別寫上，壓力+、壓力-、原點回歸、自動調(diào)節(jié)、壓力校正、伺服急停等字樣，其中繼電器的對應(yīng)情況如上所寫?？刂飘嬅婧蛥?shù)顯示畫面如圖3和圖4所示。

圖3上位機(jī)畫面設(shè)置圖

圖4上位機(jī)參數(shù)顯示圖

本系統(tǒng)同時還設(shè)置有手動調(diào)節(jié)功能，確保在自動調(diào)節(jié)出現(xiàn)問題時及時補(bǔ)救。觸摸屏上本文設(shè)置了指示燈，可顯示此時的工作狀態(tài)。同時本文在手動和自動指示燈的中間部分，設(shè)置了脈沖的輸出指示，即伺服電機(jī)的運轉(zhuǎn)指示,當(dāng)有脈沖輸出時,會有“脈沖輸出中”的紅色指示燈出現(xiàn)。當(dāng)無紅色指示燈顯示時,即表示電機(jī)有故障,此時操作者需根據(jù)伺服驅(qū)動器上顯示的異常字母進(jìn)行故障查詢，簡單方便。

5、總結(jié)

利用PLC可以直接對伺服電機(jī)進(jìn)行位置和速度控制，無需增加定位模塊，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)通過觸摸屏進(jìn)行調(diào)節(jié)控制,使操作簡單,也減少了在運行過程中的故障查找環(huán)節(jié)，大大提高了工作效率。系統(tǒng)運用一年多來，從未出現(xiàn)故障，穩(wěn)定性好，且定位精確，為用戶節(jié)約很多時間。

更多資訊請關(guān)注伺服系統(tǒng)頻道