前言

20世紀80年代以來，隨著集成電路、電力電子技術和交流可變速驅動技術的發展，永磁交流伺服驅動技術有了突出的發展，各國著名電氣廠商相繼推出各自的交流伺服電動機和伺服驅動器系列產品并不斷完善和更新。交流伺服系統已成為當代高性能伺服系統的主要發展方向，使原來的直流伺服面臨被淘汰的危機。90年代以后，世界各國已經商品化了的交流伺服系統是采用全數字控制的正弦波電動機伺服驅動。交流伺服驅動裝置在傳動領域的發展日新月異。

交流伺服電動機定子的構造基本上與電容分相式單相異步電動機相似.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，聯接控制信號電壓Uc。所以交流伺服電動機又稱兩個伺服電動機。伺服電機又稱執行電機，它是控制電機的一種。它是一種用電脈沖信號進行控制的，并將脈沖信號轉變成相應的角位移或直線位移和角速度的執行元件。根據控制對象的不同，由伺服電機組成的伺服系統一般有三種基本控制方式，即位置控制、速度控制、力矩控制。本系統本文采用位置控制。

20世紀末期，可編程控制器的發展特點是更加適應于現代工業的需要。這個時期發展了大型機和超小型機、誕生了各種各樣的特殊功能單元、生產了各種人機界面單元、通信單元，使應用可編程控制器的工業控制設備的配套更加容易。PLC在自動化控制領域中，應用十分廣泛。尤其是近幾年PLC在處理速度，指令及容量、單軸控制方面得到飛速的發展，使得PLC在控制伺服電機方面也變得簡單易行。

1、元件的選型

1.1PLC選型

因為伺服電機的位移量與輸入脈沖個數成正比，伺服電機的轉速與脈沖頻率成正比，所以本文需要對電機的脈沖個數和脈沖頻率進行精確控制。且由于伺服電機具有無累計誤差、跟蹤性能好的優點，伺服電機的控制主要采用開環數字控制系統，通常在使用時要搭配伺服驅動器進行控制，而伺服電機驅動器采用了大規模集成電路，具有高抗干擾性及快速的響應性。在使用伺服驅動器時，往往需要較高頻率的脈沖，所以就要求所使用的PLC能產生高頻率脈沖。三菱公司的FX3U晶體管輸出的PLC可以進行6點同時100kHz高速計數及3軸獨立100kHz的定位功能，并且可以通過基本指令0.065μs、PCMIX值實現了以4.5倍的高速度，完全滿足了本文控制伺服電機的要求，所以本文選用FX3U-48MT-ES-A型PLC作為主控制單元。

1.2伺服電機的選型

在選擇伺服電機和驅動器時，只需要知道電機驅動負載的轉距要求及安裝方式即可，本文選擇額定轉距為2.4N·m，額定轉速為3000r/min，每轉為131072p/rev分辨率的三菱公司HF-KE73W1-S100伺服電機，與之配套使用的驅動器本文選用MR-E-70A-KH003伺服驅動器。三菱的此款伺服系統具有500Hz的高響應性，高精度定位，高水平的自動調節，能輕易實現增益設置，且采用自適應振動抑止控制，有位置、速度和轉距三種控制功能，完全滿足要求。

同時本文采用三菱GT1155-QFBD-C型觸摸屏，對伺服電機進行自動操作控制。

2、PLC控制系統設計

本文需要伺服電機實現正點、反點、原點回歸和自動調節等動作，另外為確保本系統的精確性本文增加編碼器對伺服電機進行閉環控制。PLC控制系統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。根據控制要求設計了PLC控制系統梯形圖如圖2。

圖2 梯形圖

M806控制伺服急停，M801控制伺服電機原點回歸，M802控制伺服正點，M803控制伺服反點，M804為自動調節，M805為壓力校正即編碼器的補償輸入。在電機運行前需要首先進行原點回歸，以確保系統的準確性和穩定性，當M50和M53同時接通時，伺服電機以2kHz的速度從Y0輸出脈沖，開始做原點回歸動作，當碰到近點信號M30＝ON時，變成寸動速度1kHz，從Y0輸出脈沖直到M30=OFF后停止。M30是在自動調節時，電機轉動的角度與零點相等時為ON。

電機在進行正反點時，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）中進行定位設定。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內強大的浮點運算指令，根據系統的多方面參數進行計算；在操作時，本文只需要在觸摸屏上設定參數，伺服電機便根據程序里的運算公式轉化成為脈沖信號輸出到驅動器,驅動器給電機信號運轉。在伺服電機運行的過程中為確保電機能達到本文需要的精度，本文采用增量式編碼器與伺服電機形成閉環控制，本文把計算到的角度與編碼器實際測量角度進行比較，根據結果調整伺服電機的脈沖輸出，從而實現高精度定位。整個程序本文采用步進指令控制（也可以采用一般指令控制），簡單方便。

3、伺服控制系統設置

3.1伺服驅動器的接線

伺服系統的接線很簡單，本文只需要按照規定接入相對應的插頭即可。將三相電源線L1,L2,L3插頭接入CPN1，將伺服電機插頭接入CN2，將編碼器插頭接入CNP2，控制線插頭接入CN1。本文在調試程序時需要用伺服電機的專用軟件，通過RS422接口接到伺服系統的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伺服驅動器的參數設定

系統采用定位控制。三菱MR-E系列的伺服驅動器，主要有兩組參數，一組為基本參數，另一組為擴展參數，根據本系統要求，本文主要設定基本參數，主要有NO.0,NO.1,NO.2,NO.3,NO.4,NO.5,NO.7,NO.18,NO.19，擴展參數要根據具體情況進行設定。

同時本文也可以通過伺服設置軟件SETUP221E進行參數設置。本文在伺服電機進行調試過程中建議先設為速度模式，進行伺服電機的點動測試。

4、觸摸屏程序設計

建立初始畫面，在畫面上分別設置按鈕開關，在開關上分別寫上，壓力+、壓力-、原點回歸、自動調節、壓力校正、伺服急停等字樣，其中繼電器的對應情況如上所寫。控制畫面和參數顯示畫面如圖3和圖4所示。

圖3上位機畫面設置圖

圖4上位機參數顯示圖

本系統同時還設置有手動調節功能，確保在自動調節出現問題時及時補救。觸摸屏上本文設置了指示燈，可顯示此時的工作狀態。同時本文在手動和自動指示燈的中間部分，設置了脈沖的輸出指示，即伺服電機的運轉指示,當有脈沖輸出時,會有“脈沖輸出中”的紅色指示燈出現。當無紅色指示燈顯示時,即表示電機有故障,此時操作者需根據伺服驅動器上顯示的異常字母進行故障查詢，簡單方便。

5、總結

利用PLC可以直接對伺服電機進行位置和速度控制，無需增加定位模塊，節約成本。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，在系統聯機的情況下也可方便地進行所有指令的修改工作。本系統通過觸摸屏進行調節控制,使操作簡單,也減少了在運行過程中的故障查找環節，大大提高了工作效率。系統運用一年多來，從未出現故障，穩定性好，且定位精確，為用戶節約很多時間。

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