基于歐姆龍plc控制的伺服控制系統(tǒng)的研究

1、<p>　　基于歐姆龍PLC控制的伺服控制系統(tǒng)的研究</p><p>　　摘要： 伺服控制系統(tǒng)具有高精度、高可靠性、快速定位的特點。本文以歐姆龍CJ系列PLC為控制核心，設(shè)計了一套基于PLC控制的交流伺服電動機(jī)位置控制系統(tǒng)，詳細(xì)介紹了伺服控制系統(tǒng)的硬件配置、參數(shù)設(shè)定、程序設(shè)計、電氣圖設(shè)計。 </p><p>　　關(guān)鍵詞：PLC；伺服系統(tǒng)；位置控制 </p><

2、p>　　中圖分類號：TL503文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A </p><p>　　The research of servo control system based on OMRON PLC </p><p>　　Abstract: The servo control system has the characteristics of high control accuracy, high r

3、eliability, fast positioning. In this paper, AC servo motor position control system based on PLC was designed as well as the CJ PLC was the control center.The hardware configuration, parameter setting, programming, elect

4、ric diagram are described in detail in this article. </p><p>　　Key words: PLC; Servo System; Position control </p><p><b>　　引言 </b></p><p>　　近年來，自動化控制水平的不斷提高，越來越多的工業(yè)控制現(xiàn)場要

5、求設(shè)備能夠?qū)崿F(xiàn)精確定位。因此，如何更方便、更準(zhǔn)確地實現(xiàn)位置控制是現(xiàn)代工業(yè)控制領(lǐng)域的一個重要問題。伺服控制系統(tǒng)具有高精度、高可靠性、快速定位的特點，廣泛應(yīng)用于位置控制領(lǐng)域。伺服控制系統(tǒng)本身是一個閉環(huán)控制系統(tǒng)，伺服電機(jī)可以實現(xiàn)位置控制和速度控制。伺服控制系統(tǒng)無論從速度控制還是精度控制上，伺服電機(jī)能大幅度降低電機(jī)運行中的能耗，在交流伺服控制器驅(qū)動下，能量轉(zhuǎn)換效率高。 </p><p>　　可編程控制器（PLC）是采用微

6、機(jī)技術(shù)的通用工業(yè)自動化裝置，是面向用戶的專業(yè)控制計算機(jī)。它可靠性高，抗干擾能力強(qiáng)，編程直觀、簡單，適應(yīng)性好，功能完善，已廣泛應(yīng)用于機(jī)械、電子、紡織等各行各業(yè)。本文采用歐姆龍PLC作為中央控制器，設(shè)計了一套基于PLC控制的交流伺服電動機(jī)位置控制系統(tǒng)。同時，本研究通過Hostlink通信協(xié)議在人機(jī)界面觸摸屏和PLC之間實時傳遞控制信號和反饋信號，監(jiān)控伺服系統(tǒng)的運行狀態(tài)。整個系統(tǒng)響應(yīng)速度快，定位精度高，運行穩(wěn)定。 </p>&l

7、t;p>　　2、伺服系統(tǒng)的組成 </p><p>　　從基本結(jié)構(gòu)來看，伺服系統(tǒng)主要由三部分組成：控制器、功率驅(qū)動裝置、反饋裝置和電動機(jī)【3】。 </p><p>　　控制器的給定值和通過反饋裝置檢測的實際運行值的差，調(diào)節(jié)控制量；功率驅(qū)動裝置作為系統(tǒng)的主回路按控制量的大小將電能作用到電動機(jī)之上，調(diào)節(jié)電動機(jī)轉(zhuǎn)矩的大小。電動機(jī)則按供電大小拖動機(jī)械運轉(zhuǎn)。實踐表明，伺服系統(tǒng)中采用位置環(huán)，速度環(huán)

8、，電流環(huán)結(jié)構(gòu)是現(xiàn)階段控制精度的最好方法，三環(huán)相互制約使控制達(dá)到最佳。 </p><p><b>　　伺服系統(tǒng)設(shè)計 </b></p><p>　　該交流伺服系統(tǒng)包括：人機(jī)界面、PLC位置控制模塊、伺服驅(qū)動器、伺服電機(jī)、減速機(jī)及機(jī)械部件組成。交流伺服系統(tǒng)PLC根據(jù)當(dāng)前工藝要求，自動計算機(jī)械部件位置。通過PLC位置控制模塊將位置設(shè)定值和速度大小信號通過總線傳輸?shù)剿欧?qū)動器，

9、并在此與旋轉(zhuǎn)編碼器檢測到的電機(jī)實際位移和實際速度相比較，再經(jīng)集成在數(shù)字伺服驅(qū)動器中DSP內(nèi)部的PID算法進(jìn)行PID調(diào)節(jié)，產(chǎn)生的控制信號控制伺服電機(jī)的驅(qū)動電路，從而實現(xiàn)精確定位目的。伺服控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如下圖1所示： </p><p>　　圖1 伺服控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖 </p><p>　　3.0、伺服控制模式選擇 </p><p>　　為了實現(xiàn)精確的位置控制，該系統(tǒng)采用位

10、置環(huán)、速度環(huán)、電流環(huán)三環(huán)控制模式，由PLC位置控制伺服模塊根據(jù)所設(shè)計的機(jī)械部件工藝要求產(chǎn)生的位置、速度指令，再通過位置、速度、電流控制器分別對位移誤差、速度誤差、電流誤差進(jìn)行P調(diào)節(jié)和PI調(diào)節(jié)，可以得到較好的補(bǔ)償，達(dá)到理想的動態(tài)性能同時還有速度前饋控制，即在PI的基礎(chǔ)上，疊加上正比于內(nèi)部指令速度的信號，用來減小微分增益或電機(jī)環(huán)路阻尼所帶來的跟隨誤差【4】。控制結(jié)構(gòu)如圖2所示。PID串級控制系統(tǒng)的最終輸出量的大小由位置控制器、速度控制器、電

11、流控制器決定。位置控制器采用P控制，速度控制器采用PI控制，電流控制器同樣采用PI控制，電流控制器的輸出最終轉(zhuǎn)化為電壓信號，控制伺服電機(jī)?？刂颇Ｊ饺缦聢D2所示 </p><p>　　圖2 位置環(huán)、速度環(huán)、電流環(huán)三環(huán)閉環(huán)控制模式 </p><p>　　3.1、伺服系統(tǒng)設(shè)備的選型（電機(jī)、驅(qū)動器、PLC，伺服模塊） </p><p>　　1、人機(jī)界面：采用歐姆龍NS12觸

12、摸屏，系統(tǒng)采用HostLink通訊方式，傳輸速率為9600bps。 </p><p>　　NS12觸摸屏額定電壓：DC24V； 功率：20W,分辨率：800*600點[4,5]，NS12觸摸屏內(nèi)置RS232C串行通信接口，RS485/422接口，同時具有以太網(wǎng)通信功能，可以通過以太網(wǎng)與支持UDP的歐姆龍PLC連接讀取數(shù)據(jù)。 </p><p>　　2、伺服系統(tǒng)控制器：采用日本歐姆龍公司CJ系

13、列PLC,CPU選擇為：CJ2H-CPU31 。 </p><p>　　CJ2H PLC處理速度快，0.016&micro;s以上；CPU單元存儲容量高達(dá)400K步，提供800K字（25組）的大容量EM區(qū)。用戶程序最多可劃分為128個任務(wù)，可實現(xiàn)更小單位下的編程，縮短循環(huán)時間。 </p><p>　　位置控制模塊：采用CJ1W-NC133。 </p><p>

14、;　　CJ1W-NC133定位控制單元可接收PLC工作區(qū)指令并向電機(jī)驅(qū)動器輸出脈沖序列定位，對于來自CPU單元的指令在2毫秒內(nèi)做出響應(yīng)。定位可以在－1,073,741,823 至1,073,741,823個脈沖位置范圍內(nèi)被執(zhí)行，速度在每1個脈沖單位中在1至500,000 pps范圍內(nèi)。 </p><p>　　4、伺服驅(qū)動器：選用SED20數(shù)字伺服驅(qū)動器、SED190交流伺服電機(jī) </p><p

15、>　　SED20伺服驅(qū)動器供電電壓AC220V;編碼器反饋信號形式：標(biāo)準(zhǔn)光學(xué)編碼器；交流伺服電機(jī)轉(zhuǎn)速2000RPM。 </p><p>　　3.2、電氣接線設(shè)計圖 </p><p>　　SED20伺服控制系統(tǒng)位置控制的電氣接線圖設(shè)計如下圖所示： </p><p>　　圖3 伺服系統(tǒng)電氣接線圖 </p><p>　　由伺服系統(tǒng)電氣接線圖可

16、以看出伺服驅(qū)動器面板有多個接線端口，各端口功能介紹如下。 </p><p>　　CN1為電機(jī)接口，其中U、V、W端子用于連接伺服電機(jī)，F(xiàn)G端子接地。 </p><p>　　CN2為制動電阻接口，通過制動電阻將伺服電機(jī)快速急停時轉(zhuǎn)化的電能釋放，以保護(hù)伺服驅(qū)動器。 </p><p>　　CN3為伺服系統(tǒng)電源輸入接口。為防止線路噪聲高頻諧波對伺服系統(tǒng)干擾，在AC220V電

17、源連接到伺服驅(qū)動器之前增加交流凈化電源降低干擾，將L、N連接到CN3端子R和S上，同時r、s和R、S分別短接。 </p><p>　　JP1為連接到伺服電機(jī)編碼器信號反饋接口。 </p><p>　　JP2為數(shù)字量信號和脈沖信號接口，用于接收PLC位置控制模塊給定的位置信號和反向信號。同時接收外部行程限位和原點搜索信號等I/O控制信號端口。 </p><p><

18、;b>　　伺服系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置 </b></p><p>　　伺服系統(tǒng)選用的伺服電機(jī)編碼器分辨率10000（2500線光學(xué)編碼器），要實現(xiàn)PLC每輸入5000個指令脈沖要求電機(jī)運轉(zhuǎn)一圈，則該伺服控制系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置如下表所示： </p><p>　　表1 伺服控制系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置 </p><p>　　3.4、電子齒輪比設(shè)定 </p><p

19、>　　無論伺服控制對象如何變化，其準(zhǔn)確的位置定位必然與脈沖的數(shù)量和每單位脈沖間機(jī)械部件的移動量兩個要素密切相關(guān)，就機(jī)械結(jié)構(gòu)而言，伺服電機(jī)輸出軸與負(fù)載輸入之間通常存在減速裝置，反映伺服電機(jī)與負(fù)載輸入之間轉(zhuǎn)速的對應(yīng)關(guān)系，俗稱速比，就機(jī)械結(jié)構(gòu)特點，機(jī)械傳動系統(tǒng)一旦確定，減速裝置的速比就是固定的，傳動比難以調(diào)整。如果調(diào)整就意味著廢除原有硬件，重新制作。于是有了與機(jī)械變速齒輪相對應(yīng)的電子齒輪，電子齒輪可以任意倍率的輸入脈沖進(jìn)行移動。 <

20、;/p><p>　　電子齒輪及倍頻數(shù)分子倍率用來對用戶輸入的指令脈沖進(jìn)行分頻或倍頻設(shè)置，以達(dá)到指定的指令脈沖對應(yīng)的電機(jī)運轉(zhuǎn)的角度行程功能。該伺服系統(tǒng)的電子齒輪比計算公式如下： </p><p>　　3.5、交流伺服系統(tǒng)原點搜索 </p><p>　　伺服系統(tǒng)位置控制可以使用絕對數(shù)值，即從原點到一個絕對的位置；或者采用增量數(shù)值（即從當(dāng)前位置移到一個相對的位置）本系統(tǒng)采用絕

21、對位置系統(tǒng)。對于絕對位置系統(tǒng)而言，在定位時首先必須定義原點。原點搜索步驟如下： </p><p>　?、僭O(shè)置原點搜索參數(shù)：原點檢測方法，初始速度，原點搜索高速度，原點搜索接近速度，原點補(bǔ)償，原點搜索方向，原點搜索加速時間以及原點搜索減速時間。 </p><p>　　②系統(tǒng)重啟激活設(shè)置的公共參數(shù)數(shù)據(jù)。 </p><p>　?、蹐?zhí)行原點搜索，將PLC原點搜索啟動位置1。

22、 </p><p>　　伺服控制系統(tǒng)采用日本歐姆龍PLC作為控制器，采用CX-Programmer編程軟件，利用該軟件進(jìn)行以上參數(shù)設(shè)置。原點搜索參數(shù)如下圖4所示，原點搜索實驗現(xiàn)象如圖5所示： </p><p>　　圖4 原點搜索公共參數(shù)表 圖5 原點搜索實驗現(xiàn)象 </p><p>　　3.6、伺服系統(tǒng)PLC程序設(shè)計 </p><p>　　本系

23、統(tǒng)采用歐姆龍CJ系列PLC，CJ系列PLC為模塊式結(jié)構(gòu)形式，本身不具備內(nèi)置定位指令，通過配制伺服位置模塊，通過絕對位移指令和脈沖發(fā)送指令，向伺服驅(qū)動器發(fā)送指定數(shù)量的脈沖串，從而實現(xiàn)伺服電機(jī)的定位控制，該位置控制模塊單元號設(shè)為3。 </p><p>　　啟動開關(guān)地址為30.00,用于觸發(fā)上升沿脈沖指令，實現(xiàn)伺服電機(jī)的啟動和定位脈沖的發(fā)送。絕對位移命令通過地址為2030.04置位實現(xiàn)。PLC控制向伺服驅(qū)動器發(fā)送的脈沖

24、數(shù)量、移動速度、加減速時間，實現(xiàn)準(zhǔn)確定位控制的梯形圖設(shè)計如下圖所示： </p><p>　　圖6 OMRON PLC的伺服控制程序 </p><p>　　3.7、控制系統(tǒng)調(diào)試時注意的問題 </p><p>　　1、伺服驅(qū)動器實現(xiàn)對伺服電機(jī)控制時，伺服驅(qū)動器的電子齒輪比不能設(shè)置太高（如大于50），否則會影響精度和性能。 </p><p>　　2

25、、當(dāng)電子齒輪比設(shè)置較高值時應(yīng)盡量減小外部所發(fā)脈沖的波動，因外部脈沖頻率的波動會被電子齒輪放大導(dǎo)致電機(jī)運行波動變大。 當(dāng)指令脈沖突然消失（如緊急停車時，PLC立即停止向伺服驅(qū)動器發(fā)送脈沖），伺服電機(jī)仍會運行到反饋脈沖數(shù)等于指令脈沖消失前的脈沖數(shù)才停止。 </p><p>　　3、伺服系統(tǒng)不能在高速運行狀態(tài)下改變電子齒輪比，否則會引起電機(jī)速度劇變。 </p><p><b>　　4、

26、結(jié)束語 </b></p><p>　　CJ系列PLC控制的交流伺服電動機(jī)的位置控制系統(tǒng)，具有硬件配置簡單、容易實現(xiàn)、參數(shù)調(diào)整方便 ,自動化程度高等優(yōu)點。該控制系統(tǒng)目前已在油田壓裂作業(yè)中應(yīng)用，實踐證明系統(tǒng)總體運行狀態(tài)良好，獲得了理想的定位精度，符合生產(chǎn)工藝要求。在實際應(yīng)用時，絕對位移量、進(jìn)給速度、微調(diào)脈沖數(shù)等相關(guān)技術(shù)參數(shù)還可通過人機(jī)界面（觸摸屏）進(jìn)行設(shè)定和調(diào)整。 </p><p>

27、;<b>　　參考文獻(xiàn)： </b></p><p>　　1、張鄭亮，熊新國. 永磁交流伺服系統(tǒng)直線位置的控制與實現(xiàn)[J].河南科技，2011,11（上）:79-80. </p><p>　　2、鐘肇新. 可編程控制器原理及應(yīng)用[ M] . 廣州: 華南理工大學(xué)出版社, 2008 </p><p>　　3、梁峰.淺談伺服系統(tǒng)【J】.工業(yè)技術(shù)，20