PLC控制伺服电机的应用设计探讨

王家乐（上海日立电器有限公司,上海　201206）



PLC控制伺服电机的应用设计探讨

王家乐
（上海日立电器有限公司,上海201206）

摘 要：本文将从PLC概念、系统构成等入手，深入探讨PLC控制伺服电机的应用设计。

关键词：PLC；伺服电机；应用设计

0　前言

近年来，随着科学技术不断发展，伺服技术不断成熟，它被更多的应用到智能控制、自动控制领域，成为现代装备、自动化设备等不可缺少的一项重要技术。相比较一般变频调速电机而言，伺服电机不但能够实现精准的速度控制，而且能够实现精准的角度（位置）控制，具有较强的动态特点。而PLC以其技术成熟、性能稳定等优势，应用于伺服电机控制系统中，能够提高其整体性能。

1　PLC概述

PLC，是指一种可编程的控制器，通过执行内部预存的程序实现用户指令的逻辑运算及顺序控制，并通过数字或者模拟等形式实现机械动作。PLC主要由电源、中央处理单元及通讯模块等方面构成[1]。其中CPU作为PLC的核心，起着神经中枢的重要作用。当PLC运行过程中，首先以扫描的方式接收设备的状态及数据，并从程序存储器中读取、分析用户指令，然后执行逻辑或者运算，发挥相应的控制功能。

PLC使用操作较为简单、应用范围较广，且具有较强的抗干扰能力，将其应用于伺服电机控制中，能够显著增强系统整体性能。

2　PLC控制伺服电机的应用设计分析

伺服电机是一种将数字脉冲信号转换为机械角位移或者角速度的元件。在控制过程中，通过执行元件，仅需要输入脉冲顺序等信号，即可以调整设备旋转的方向、速度、位移等，这也成为它与其他电机存在差别的主要原因。

（1）确定具体设计方案。综合对PLC与伺服电机系统特点的考虑，对于系统的设计具体划分成四个部分：首先，电源方面。利用AC220V为系统运行提供电力支持，并采用符合安全的DC24V开关电源为PLC控制信号和伺服控制信号等供电；其次，控制方面。作为整个系统运行的关键环节，控制系统的设计主要以PLC为核心，通过I/O等信号实现与操作者、设备之间的信息交互，按照预存程序的逻辑，发出控制信号给伺服驱动器，实现对伺服电机的控制；再次，设备精度。为了满足设备的精度要求，还必须要考虑PLC能够提供的最大脉冲频率，伺服能够接收的最大脉冲频率，伺服电机的编码器精度及伺服的响应性能等。以便设计合理的脉冲当量，选用合适的PLC、伺服电机及机械执行机构。最后，执行方面。该环节由执行电机拖动需要的设备开展工作，在具体应用过程中，电机通过自身的编码器反馈给驱动器实现半闭环控制（也可以根据需要在机械终端执行机构上加装反馈部件（如光栅尺、编码器），把信号反馈给PLC实现全闭环控制）。

（2）对于系统细节的有效处理。PLC在伺服电机中的应用，主要涉及PLC与伺服电机两方面，因此对于细节的处理，同样从这两方面入手：一方面，电机方面。伺服电机作为伺服系统的核心，其主要负责能量转换工作，因此相对于其他电机而言，其需要具备转换效率高、结构简单等特点。伺服电机又被称为执行电机，在自动控制系统中，作为执行环节，其能够根据相应的指令控制信号等，调整和优化电机的运行速度及方向[2]。基于精度、高效、快捷等目标，本文选择松下MINAS A系列的交流伺服系统，由于其内部主要采取的是32位DSP，运用IG-BTPWM控制方式。因此系统整体响应速度较快、且体积较小，能够满足纺织机械、数控机床等多个领域发展需求；另一方面，PLC方面。在满足性能的前提下，为了兼顾系统设计美观性及实用性，在选择PLC时尽量选择尺寸较小的产品。本文选用与电机相配的松下EPO系列PLC，它是同类产品中尺寸最小的，可以安装在小型机器设备上。同时随着技术不断发展，在PLC应用过程中，还应考虑兼容问题，使用单元表面的扩充连接器及单排触头构建层叠结构，以此来拓展系统。

（3）系统实现策略。第一，位置控制方面。位置控制主要目标是促使执行系统对位置指令进行准确的跟踪，而被控量始终是负载的空间位移，当给定量发生变化情况下，系统能够促使被控制量及时准确地反馈相关信息，然后进行实时的控制调整。基于此，设置反馈控制系统十分必要。在位置控制条件下，伺服驱动器接收具体的位置指令信号，并经过电子齿轮分频处理后，控制IGBT以PWM脉冲形式驱动伺服电机旋转，然后与反馈的脉冲信号形成偏差信号，再进一步的调整PWM脉冲以实现伺服电机的精确控制。所谓反馈脉冲，主要是指光电编码器检测器，对设备运行实际情况检查，获得的脉冲数，并经过相应处理后而形成[3]；第二，速度控制方面。速度控制主要是确保设备能够按照用户指令要求，第一时间做出相应的速度调整。速度控制是一个反馈控制系统。在系统运行过程中，PLC接到指令信号后，对伺服驱动器进行启动或者停止处理，并对信号进行模拟处理，实现对电机运行速度的有效控制，以此来达到控制要求及目标；第三，控制精度方面。工业领域快速发展，对于伺服电机的控制精度提出了更高要求。然而传统模式下，高速脉冲输出方式属于开环位置控制，无法及时获得具体的反馈信息，仅能够提供发送服务，一旦伺服驱动器等设备出现故障，PLC将无法发挥积极作用。因此对于伺服电机的设计，笔者建议采取增加通信控制方式的方法，当指令发送完成后，伺服驱动器将会对发送的指令做出正确的响应，实现对整个系统的准确控制；第四，增益方面。伺服电机在应用中，需要按照指令完成相应的任务，不能够太滞后或超调。而实现这一目标的关键在于伺服控制增益的调整。目前伺服的增益调整可以采取自动调整与手动调整两种方式[4]。相比较两种方式的优势来看，前者更具有适用性，通过适当的调整，如负载惯量要比平时惯量大三倍，并控制在二十倍之内；确保震荡不会影响机械设备损坏，即可实现对系统的增益调整。通常意义上来说，机械的固有频率将会影响伺服电机的增益调整，一旦机器的频率过低，伺服系统将无法获得较快的响应特性。

3　结论

根据上文所述，实践证明，PLC在伺服电机控制中的应用，能够提高定位控制系统性能、且降低结构复杂性。技术不断发展，PLC在伺服电机中的应用将成为必然趋势。因此相关人员还应加强对技术的研究力度，不断提高电机控制能力，实现对整个生产全过程的控制，从而促进相关领域可持续发展。

参考文献：

[1]尙学彬.PLC控制伺服精确定位的设计及应用[J].才智,2012(25):60-61.

[2]张文捷,侯聪聪.PLC在伺服电机位置控制中的应用[J].技术与市场,2012(12):58.

[3]章玉婷.基于PLC和伺服电机的某星载滑环跑合台控制系统设计[J].电子机械工程,2013(04):31-33.

[4]王洪艳.基于S7—200PLC的伺服电机高脉冲位置控制的一种应用[J].装备制造技术,2014(03):88-90.

DOI:10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.03.143