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(diǎn)。本文以歐姆龍CJ系列PLC為控制核心，設(shè)計(jì)了一套基于PLC控制的交流伺服電動(dòng)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(jì)、電氣圖設(shè)計(jì)。 </p><p>　　關(guān)鍵詞：PLC；伺服系統(tǒng)；位置控制 </p><

2、p>　　中圖分類號(hào)：TL503文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)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(lái)，自動(dòng)化控制水平的不斷提高，越來(lái)越多的工業(yè)控制現(xiàn)場(chǎng)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(shí)現(xiàn)位置控制是現(xiàn)代工業(yè)控制領(lǐng)域的一個(gè)重要問(wèn)題。伺服控制系統(tǒng)具有高精度、高可靠性、快速定位的特點(diǎn)，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(gè)閉環(huán)控制系統(tǒng)，伺服電機(jī)可以實(shí)現(xiàn)位置控制和速度控制。伺服控制系統(tǒng)無(wú)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(yùn)行中的能耗，在交流伺服控制器驅(qū)動(dòng)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(dòng)化裝置，是面向用戶的專業(yè)控制計(jì)算機(jī)。它可靠性高，抗干擾能力強(qiáng)，編程直觀、簡(jiǎn)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(jì)了一套基于PLC控制的交流伺服電動(dòng)機(jī)位置控制系統(tǒng)。同時(shí)，本研究通過(guò)Hostlink通信協(xié)議在人機(jī)界面觸摸屏和PLC之間實(shí)時(shí)傳遞控制信號(hào)和反饋信號(hào)，監(jiān)控伺服系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)。整個(gè)系統(tǒng)響應(yīng)速度快，定位精度高，運(yùn)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(lái)看，伺服系統(tǒng)主要由三部分組成：控制器、功率驅(qū)動(dòng)裝置、反饋裝置和電動(dòng)機(jī)【3】。 </p><p>　　控制器的給定值和通過(guò)反饋裝置檢測(cè)的實(shí)際運(yùn)行值的差，調(diào)節(jié)控制量；功率驅(qū)動(dòng)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(dòng)機(jī)之上，調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩的大小。電動(dòng)機(jī)則按供電大小拖動(dòng)機(jī)械運(yùn)轉(zhuǎn)。實(shí)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(jì) </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(dòng)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(dòng)計(jì)算機(jī)械部件位置。通過(guò)PLC位置控制模塊將位置設(shè)定值和速度大小信號(hào)通過(guò)總線傳輸?shù)剿欧?qū)動(dòng)器，

9、并在此與旋轉(zhuǎn)編碼器檢測(cè)到的電機(jī)實(shí)際位移和實(shí)際速度相比較，再經(jīng)集成在數(shù)字伺服驅(qū)動(dòng)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(hào)控制伺服電機(jī)的驅(qū)動(dòng)電路，從而實(shí)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(shí)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(jì)的機(jī)械部件工藝要求產(chǎn)生的位置、速度指令，再通過(guò)位置、速度、電流控制器分別對(duì)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(dòng)態(tài)性能同時(shí)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(hào)，用來(lái)減小微分增益或電機(jī)環(huán)路阻尼所帶來(lái)的跟隨誤差【4】?？刂平Y(jié)構(gòu)如圖2所示。PID串級(jí)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(hào)，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(dòng)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(diǎn)[4,5]，NS12觸摸屏內(nèi)置RS232C串行通信接口，RS485/422接口，同時(shí)具有以太網(wǎng)通信功能，可以通過(guò)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(chǔ)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(gè)任務(wù)，可實(shí)現(xiàn)更小單位下的編程，縮短循環(huán)時(shí)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(dòng)器輸出脈沖序列定位，對(duì)于來(lái)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(gè)脈沖位置范圍內(nèi)被執(zhí)行，速度在每1個(gè)脈沖單位中在1至500,000 pps范圍內(nèi)。 </p><p>　　4、伺服驅(qū)動(dòng)器：選用SED20數(shù)字伺服驅(qū)動(dòng)器、SED190交流伺服電機(jī) </p><p

15、>　　SED20伺服驅(qū)動(dòng)器供電電壓AC220V;編碼器反饋信號(hào)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(jì)圖 </p><p>　　SED20伺服控制系統(tǒng)位置控制的電氣接線圖設(shè)計(jì)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(dòng)器面板有多個(gè)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(dòng)電阻接口，通過(guò)制動(dòng)電阻將伺服電機(jī)快速急停時(shí)轉(zhuǎn)化的電能釋放，以保護(hù)伺服驅(qū)動(dòng)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(duì)伺服系統(tǒng)干擾，在AC220V電

17、源連接到伺服驅(qū)動(dòng)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(shí)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(hào)反饋接口。 </p><p>　　JP2為數(shù)字量信號(hào)和脈沖信號(hào)接口，用于接收PLC位置控制模塊給定的位置信號(hào)和反向信號(hào)。同時(shí)接收外部行程限位和原點(diǎn)搜索信號(hào)等I/O控制信號(hào)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(shí)現(xiàn)PLC每輸入5000個(gè)指令脈沖要求電機(jī)運(yùn)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(wú)論伺服控制對(duì)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(dòng)量?jī)蓚€(gè)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(duì)應(yīng)關(guān)系，俗稱速比，就機(jī)械結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)一旦確定，減速裝置的速比就是固定的，傳動(dòng)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(duì)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(dòng)。 <

20、;/p><p>　　電子齒輪及倍頻數(shù)分子倍率用來(lái)對(duì)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(duì)應(yīng)的電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)的角度行程功能。該伺服系統(tǒng)的電子齒輪比計(jì)算公式如下： </p><p>　　3.5、交流伺服系統(tǒng)原點(diǎn)搜索 </p><p>　　伺服系統(tǒng)位置控制可以使用絕對(duì)數(shù)值，即從原點(diǎn)到一個(gè)絕對(duì)的位置；或者采用增量數(shù)值（即從當(dāng)前位置移到一個(gè)相對(duì)的位置）本系統(tǒng)采用絕

21、對(duì)位置系統(tǒng)。對(duì)于絕對(duì)位置系統(tǒng)而言，在定位時(shí)首先必須定義原點(diǎn)。原點(diǎn)搜索步驟如下： </p><p>　?、僭O(shè)置原點(diǎn)搜索參數(shù)：原點(diǎn)檢測(cè)方法，初始速度，原點(diǎn)搜索高速度，原點(diǎn)搜索接近速度，原點(diǎn)補(bǔ)償，原點(diǎn)搜索方向，原點(diǎn)搜索加速時(shí)間以及原點(diǎn)搜索減速時(shí)間。 </p><p>　?、谙到y(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(diǎn)搜索，將PLC原點(diǎn)搜索啟動(dòng)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(diǎn)搜索參數(shù)如下圖4所示，原點(diǎn)搜索實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象如圖5所示： </p><p>　　圖4 原點(diǎn)搜索公共參數(shù)表 圖5 原點(diǎn)搜索實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象 </p><p>　　3.6、伺服系統(tǒng)PLC程序設(shè)計(jì) </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(guò)配制伺服位置模塊，通過(guò)絕對(duì)位移指令和脈沖發(fā)送指令，向伺服驅(qū)動(dòng)器發(fā)送指定數(shù)量的脈沖串，從而實(shí)現(xiàn)伺服電機(jī)的定位控制，該位置控制模塊單元號(hào)設(shè)為3。 </p><p>　　啟動(dòng)開關(guān)地址為30.00,用于觸發(fā)上升沿脈沖指令，實(shí)現(xiàn)伺服電機(jī)的啟動(dòng)和定位脈沖的發(fā)送。絕對(duì)位移命令通過(guò)地址為2030.04置位實(shí)現(xiàn)。PLC控制向伺服驅(qū)動(dòng)器發(fā)送的脈沖

24、數(shù)量、移動(dòng)速度、加減速時(shí)間，實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確定位控制的梯形圖設(shè)計(jì)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(shí)注意的問(wèn)題 </p><p>　　1、伺服驅(qū)動(dòng)器實(shí)現(xiàn)對(duì)伺服電機(jī)控制時(shí)，伺服驅(qū)動(dòng)器的電子齒輪比不能設(shè)置太高（如大于50），否則會(huì)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(shí)應(yīng)盡量減小外部所發(fā)脈沖的波動(dòng)，因外部脈沖頻率的波動(dòng)會(huì)被電子齒輪放大導(dǎo)致電機(jī)運(yùn)行波動(dòng)變大。 當(dāng)指令脈沖突然消失（如緊急停車時(shí)，PLC立即停止向伺服驅(qū)動(dòng)器發(fā)送脈沖），伺服電機(jī)仍會(huì)運(yùn)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(yùn)行狀態(tài)下改變電子齒輪比，否則會(huì)引起電機(jī)速度劇變。 </p><p><b>　　4、

26、結(jié)束語(yǔ) </b></p><p>　　CJ系列PLC控制的交流伺服電動(dòng)機(jī)的位置控制系統(tǒng)，具有硬件配置簡(jiǎn)單、容易實(shí)現(xiàn)、參數(shù)調(diào)整方便 ,自動(dòng)化程度高等優(yōu)點(diǎn)。該控制系統(tǒng)目前已在油田壓裂作業(yè)中應(yīng)用，實(shí)踐證明系統(tǒng)總體運(yùn)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(shí)際應(yīng)用時(shí)，絕對(duì)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(guò)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(guó). 永磁交流伺服系統(tǒng)直線位置的控制與實(shí)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