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应用PLC控制交流伺服驱动来精准定位的探讨

来源:http://www.workrewired.com 作者:机械设备 人气:197 发布时间:2020-03-24
摘要:现在伺服电机系统融合了电机、计算机、电力电子、自动控制、精密机械、新材料和新科技等多种高新技术。伺服电机不同于一般的变频调速电机,它除了实现调速功能以外,还要实现

现在伺服电机系统融合了电机、计算机、电力电子、自动控制、精密机械、新材料和新科技等多种高新技术。伺服电机不同于一般的变频调速电机,它除了实现调速功能以外,还要实现位置、加速度、转矩的控制,而且动态特性也要常常高于一般变频调速电机。数字化交流伺服系统是随自动控制理论、计算机控制技术和电机控制技术的发展而出现的新型机电一体化系统,是通过计算机控制的开环或闭环系统,克服了传统直流电机伺服系统缺点,获得的十分广泛的应用。为了让高职学生能够掌握这门技术,要求学生在单个学会 PLC 编程与伺服驱动控制基础上从以下六个方面学习。

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1.精准定位整体设计

伺服技术是现代工业重要的支柱性技术,随着近年来不断的发展,交流伺服在很多场合逐步取代了以往的直流伺服技术,而三相交流永磁同步电动机(Permanent Magnet Synchronous Motor,简称PMSM)是交流永磁伺服电动机的一种,随着永磁体性能的提高和价格的下降,以及由永磁取代绕线式转子中的励磁绕组所带来的一系列优点:如转子无发热问题、控制系统简单、具有较高的运行效率和较高的运行速度等等。在数控机床,机器人等小功率应用场合,已获得了广泛应用。随着现代工业对精密化、高速化、高性能的要求的不断发展,传统的控制器在高要求的场合已经不能够胜任,在很多要求高实时性,高效率的场合,就必须要用专门的数字信号处理器(DSP)来代替传统的控制器的部分功能。特别是在控制算法复杂或对算法进行改进优化的时候,DSP独特的快速计算的能力就明显的体现出来。另外,随着集成电路制造技术的进步和电力电子技术的发展,交流伺服也得到了长足的发展。集三相逆变器和保护电路、隔离电路、能耗制动电路等功能为一体的智能功率模块、先进的电力电子器件的出现、使交流伺服控制更方便、功耗更低、开关时间更短、变频范围更宽、性能更优越。这些都使交流伺服相对直流伺服体现出了明显的优越性。系统概述交流伺服数字化系统的硬件由DSP作为信号处理器,用旋转编码器和电流传感器提供反馈信号,智能功率模块IPM作为逆变器,经传感器出来的信号经过滤波整形等处理后反馈给DSP进行运算,DSP经过对参考信号和反馈信号的处理运算来调节伺服系统的电流环,速度环,和位置环的控制,最后输出PWM信号经过隔离驱动IPM模块实现电机的伺服闭环控制。 系统的硬件结构如图1所示。

位置控制的根本任务就是使执行机构对位置指令精准跟踪,被控量一般是负载的空间位移,当给定量随机变化时,系统能使被控量无误地跟踪并反馈给定量,给定量可能是角位移或直线位移。所以位置控制必然是一个反馈控制系统,组成位置控制回路。该精准定位系统的整体结构是由触摸屏、可编程逻辑控制 PLC、交流伺服驱动器、交流伺服电机,滚珠丝杆工作台构成一个闭环控制系统。以实现丝杆精密进给。在位置控制方式下,伺服驱动器接收 PLC 发出的位置指令信号脉冲方向,送入脉冲列形态,经电子齿轮分 / 倍频后,在偏差可逆计数器中与反馈脉冲信号比较后形成偏差信号。反馈脉冲是由光电编码器检测到实际所产生的脉冲数,经四倍频后产生的。位置偏差信号经位置环的复合前馈控制器调节后,形成速度指令信号。速度指令信号与速度反馈信号、位置检测装置相同比较后的偏差信号经速度环比例积分控制器调节后产生电流指令信号,在电流环中经矢量变化后,由 SPWM 输出转矩电流,控制交流伺服电机运行。位置控制精度由旋转编码器每转产生脉冲数来控制,本系统采用的是增量式光电编码器。

图1硬件结构图

2.整个控制系统技术要求与指标

系统的控制为三环控制方式,位置控制是外环,也是最终目标,速度控制是中环,电流控制是内环。为了保证动态响应速度和定位时不产生震荡,电流环和速度环均采用PID调节,位置调节器采用PI调节。系统的控制框图如图2:

整个系统要求具有以下功能:手动操作、自动操作、断电保护、可靠的故障诊断和字处理四项功能,技术指标是进给速度在 50mm/s——150mm/s,较高的定位控制精度 1μm。

图2控制系统框图

3.电子齿轮比

编码器检测的转子位置实际信号与系统给定位置信号进行比较,比较后的差值经位置调节器PI调节后输出转子转速给定信号,给定转速信号再与编码器检测的实际速度信号进行比较,比较后的差值经速度调节器调节后,输出给定电流指令值,在于电流反馈实际值比较后进行PWM控制。矢量控制在同步电机中,励磁磁场与电枢磁通势间的空间角度不是固定的,因此调节电枢电流就不能直接控制电磁转矩。通过电机的外部控制系统,对电枢磁通势相对励磁磁场进行空间定向控制,控制两者之间的角度保持固定值,同时对电枢电流的幅值也进行控制,这种控制方式就称为矢量控制。矢量控制也就是通过控制两相的转子参考坐标d-q轴的电流来等效控制电枢的三相电流。通过前面的系统控制框图可以清楚理解这种等效,可以用下面的公式表示:由电机非负载轴端安装的编码器随时检测转子磁极位置,不断的取得位置角信息,通过检测实时的知道了θ,也就是说能够进行实时的坐标变化,变换后的电流对逆变器进行控制,产生PWM波形去控制电机。 位置及速度的检测交流伺服电机内装有编码器进行位置及速度的测量,大多数情况下,直接从编码器出来的信号波形不规则,还不能直接用于控制,信号处理和远距离传输,所以要对信号进行整形和滤波变成矩形波后再反馈给DSP,处理后的两路相互正交的编码器信号A、B经过电压变换直接送入DSP的QEP引脚,经译码逻辑单元产生转向信号和4倍频的脉冲信号。转向信号是根据两路信号的相位超前滞后决定的。由于存在正反转的问题,要求计数器具有可逆性,所以把通用定时器2设置为定向增/减计数模式,把倍频后的正交编码脉冲作为定时器2的输入时钟进行计数,计数的方向由转向信号决定,如果QEP1的输入相位超前,则增计数,反之则减计数。位置和转速由脉冲数和脉冲频率就可以决定。 每转的总脉冲数用M表示,T1时刻的脉冲数为m1,则电机转过的角度就可以根据下式计算出来。如果是多转的情况下,再配合编码器的Z相零位脉冲的计数值和相应定时器2的清零,就可以知道电机轴转了多少圈多少角度了。电机转子转速的计算可以根据M/T测速法,确定编码器的速度公式如下:M1—定时间内计数器记录的编码器脉冲数;M2—定时间内记录的DSP的时钟脉冲数;N—编码器线数,也就是倍频前的编码器的脉冲数;Fclk—DSP的时钟脉冲频率。 结语 综上所述,本文研究的数字交流伺服驱动器,实行了模块化设计,硬件结构简单,软件编程容易。可以轻松实现PC机或者PLC与控制器的通信,这样就实现了上位机能够接受控制系统的实时参数和向伺服控制系统传递参数,对伺服系统进行直接的控制。(end)

与电子齿轮比设定相关的要素为:分辨率、螺距、电机与轴传动比、移动负载位置数据的最小单位,也就是指令单位。电子齿轮比= 编码器最大分辨率乘轴传动比乘以指令单位除以移动螺距,台达伺服电机编码器每转输出脉冲数均为 40000,4 倍频后,最大分辨率为 40000*4=160000。例如,丝杆螺距 5mm,指令单位 1μm,直接传动,则电子齿轮比=/5mm=32。电子齿轮比在伺服驱动器参数P1-44 设成 32,参数 P1-45 设为 1。

4. 限位开关电路设计

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