基于欧姆龙PLC控制的伺服控制系统的研究

摘要： 伺服控制系统具有高精度、高可靠性、快速定位的特点。本文以欧姆龙CJ系列PLC为控制核心，设计了一套基于PLC控制的交流伺服电动机位置控制系统，详细介绍了伺服控制系统的硬件配置、参数设定、程序设计、电气图设计。

关键词：PLC；伺服系统；位置控制

中图分类号：TL503文献标识码： A

The research of servo control system based on OMRON PLC

Abstract: The servo control system has the characteristics of high control accuracy, high reliability, 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, electric diagram are described in detail in this article.

Key words: PLC; Servo System; Position control

引言

近年来，自动化控制水平的不断提高，越来越多的工业控制现场要求设备能够实现精确定位。因此，如何更方便、更准确地实现位置控制是现代工业控制领域的一个重要问题。伺服控制系统具有高精度、高可靠性、快速定位的特点，广泛应用于位置控制领域。伺服控制系统本身是一个闭环控制系统，伺服电机可以实现位置控制和速度控制。伺服控制系统无论从速度控制还是精度控制上，伺服电机能大幅度降低电机运行中的能耗，在交流伺服控制器驱动下，能量转换效率高。

可编程控制器（PLC）是采用微机技术的通用工业自动化装置，是面向用户的专业控制计算机。它可靠性高，抗干扰能力强，编程直观、简单，适应性好，功能完善，已广泛应用于机械、电子、纺织等各行各业。本文采用欧姆龙PLC作为中央控制器，设计了一套基于PLC控制的交流伺服电动机位置控制系统。同时，本研究通过Hostlink通信协议在人机界面触摸屏和PLC之间实时传递控制信号和反馈信号，监控伺服系统的运行状态。整个系统响应速度快，定位精度高，运行稳定。

2、伺服系统的组成

从基本结构来看，伺服系统主要由三部分组成：控制器、功率驱动装置、反馈装置和电动机【3】。

控制器的给定值和通过反馈装置检测的实际运行值的差，调节控制量；功率驱动装置作为系统的主回路按控制量的大小将电能作用到电动机之上，调节电动机转矩的大小。电动机则按供电大小拖动机械运转。实践表明，伺服系统中采用位置环，速度环，电流环结构是现阶段控制精度的最好方法，三环相互制约使控制达到最佳。

伺服系统设计

该交流伺服系统包括：人机界面、PLC位置控制模块、伺服驱动器、伺服电机、减速机及机械部件组成。交流伺服系统PLC根据当前工艺要求，自动计算机械部件位置。通过PLC位置控制模块将位置设定值和速度大小信号通过总线传输到伺服驱动器，并在此与旋转编码器检测到的电机实际位移和实际速度相比较，再经集成在数字伺服驱动器中DSP内部的PID算法进行PID调节，产生的控制信号控制伺服电机的驱动电路，从而实现精确定位目的。伺服控制系统结构如下图1所示：

图1 伺服控制系统结构框图

3.0、伺服控制模式选择

为了实现精确的位置控制，该系统采用位置环、速度环、电流环三环控制模式，由PLC位置控制伺服模块根据所设计的机械部件工艺要求产生的位置、速度指令，再通过位置、速度、电流控制器分别对位移误差、速度误差、电流误差进行P调节和PI调节，可以得到较好的补偿，达到理想的动态性能同时还有速度前馈控制，即在PI的基础上，叠加上正比于内部指令速度的信号，用来减小微分增益或电机环路阻尼所带来的跟随误差【4】。控制结构如图2所示。PID串级控制系统的最终输出量的大小由位置控制器、速度控制器、电流控制器决定。位置控制器采用P控制，速度控制器采用PI控制，电流控制器同样采用PI控制，电流控制器的输出最终转化为电压信号，控制伺服电机。控制模式如下图2所示

图2 位置环、速度环、电流环三环闭环控制模式

3.1、伺服系统设备的选型（电机、驱动器、PLC，伺服模块）

1、人机界面：采用欧姆龙NS12触摸屏，系统采用HostLink通讯方式，传输速率为9600bps。

NS12触摸屏额定电压：DC24V； 功率：20W,分辨率：800*600点[4,5]，NS12触摸屏内置RS232C串行通信接口，RS485/422接口，同时具有以太网通信功能，可以通过以太网与支持UDP的欧姆龙PLC连接读取数据。

2、伺服系统控制器：采用日本欧姆龙公司CJ系列PLC,CPU选择为：CJ2H-CPU31 。

CJ2H PLC处理速度快，0.016µs以上；CPU单元存储容量高达400K步，提供800K字（25组）的大容量EM区。用户程序最多可划分为128个任务，可实现更小单位下的编程，缩短循环时间。

位置控制模块：采用CJ1W-NC133。

CJ1W-NC133定位控制单元可接收PLC工作区指令并向电机驱动器输出脉冲序列定位，对于来自CPU单元的指令在2毫秒内做出响应。定位可以在－1,073,741,823 至1,073,741,823个脉冲位置范围内被执行，速度在每1个脉冲单位中在1至500,000 pps范围内。

4、伺服驱动器：选用SED20数字伺服驱动器、SED190交流伺服电机

SED20伺服驱动器供电电压AC220V;编码器反馈信号形式：标准光学编码器；交流伺服电机转速2000RPM。

3.2、电气接线设计图

SED20伺服控制系统位置控制的电气接线图设计如下图所示：

图3 伺服系统电气接线图

由伺服系统电气接线图可以看出伺服驱动器面板有多个接线端口，各端口功能介绍如下。

CN1为电机接口，其中U、V、W端子用于连接伺服电机，FG端子接地。

CN2为制动电阻接口，通过制动电阻将伺服电机快速急停时转化的电能释放，以保护伺服驱动器。

CN3为伺服系统电源输入接口。为防止线路噪声高频谐波对伺服系统干扰，在AC220V电源连接到伺服驱动器之前增加交流净化电源降低干扰，将L、N连接到CN3端子R和S上，同时r、s和R、S分别短接。

JP1为连接到伺服电机编码器信号反馈接口。

JP2为数字量信号和脉冲信号接口，用于接收PLC位置控制模块给定的位置信号和反向信号。同时接收外部行程限位和原点搜索信号等I/O控制信号端口。

伺服系统参数设置

伺服系统选用的伺服电机编码器分辨率10000（2500线光学编码器），要实现PLC每输入5000个指令脉冲要求电机运转一圈，则该伺服控制系统参数设置如下表所示：

表1 伺服控制系统参数设置

3.4、电子齿轮比设定

无论伺服控制对象如何变化，其准确的位置定位必然与脉冲的数量和每单位脉冲间机械部件的移动量两个要素密切相关，就机械结构而言，伺服电机输出轴与负载输入之间通常存在减速装置，反映伺服电机与负载输入之间转速的对应关系，俗称速比，就机械结构特点，机械传动系统一旦确定，减速装置的速比就是固定的，传动比难以调整。如果调整就意味着废除原有硬件，重新制作。于是有了与机械变速齿轮相对应的电子齿轮，电子齿轮可以任意倍率的输入脉冲进行移动。

电子齿轮及倍频数分子倍率用来对用户输入的指令脉冲进行分频或倍频设置，以达到指定的指令脉冲对应的电机运转的角度行程功能。该伺服系统的电子齿轮比计算公式如下：

3.5、交流伺服系统原点搜索

伺服系统位置控制可以使用绝对数值，即从原点到一个绝对的位置；或者采用增量数值（即从当前位置移到一个相对的位置）本系统采用绝对位置系统。对于绝对位置系统而言，在定位时首先必须定义原点。原点搜索步骤如下：

①设置原点搜索参数：原点检测方法，初始速度，原点搜索高速度，原点搜索接近速度，原点补偿，原点搜索方向，原点搜索加速时间以及原点搜索减速时间。

②系统重启激活设置的公共参数数据。

③执行原点搜索，将PLC原点搜索启动位置1。

伺服控制系统采用日本欧姆龙PLC作为控制器，采用CX-Programmer编程软件，利用该软件进行以上参数设置。原点搜索参数如下图4所示，原点搜索实验现象如图5所示：

图4 原点搜索公共参数表 图5 原点搜索实验现象

3.6、伺服系统PLC程序设计

本系统采用欧姆龙CJ系列PLC，CJ系列PLC为模块式结构形式，本身不具备内置定位指令，通过配制伺服位置模块，通过绝对位移指令和脉冲发送指令，向伺服驱动器发送指定数量的脉冲串，从而实现伺服电机的定位控制，该位置控制模块单元号设为3。

启动开关地址为30.00,用于触发上升沿脉冲指令，实现伺服电机的启动和定位脉冲的发送。绝对位移命令通过地址为2030.04置位实现。PLC控制向伺服驱动器发送的脉冲数量、移动速度、加减速时间，实现准确定位控制的梯形图设计如下图所示：

图6 OMRON PLC的伺服控制程序

3.7、控制系统调试时注意的问题

1、伺服驱动器实现对伺服电机控制时，伺服驱动器的电子齿轮比不能设置太高（如大于50），否则会影响精度和性能。

2、当电子齿轮比设置较高值时应尽量减小外部所发脉冲的波动，因外部脉冲频率的波动会被电子齿轮放大导致电机运行波动变大。 当指令脉冲突然消失（如紧急停车时，PLC立即停止向伺服驱动器发送脉冲），伺服电机仍会运行到反馈脉冲数等于指令脉冲消失前的脉冲数才停止。

3、伺服系统不能在高速运行状态下改变电子齿轮比，否则会引起电机速度剧变。

4、结束语

CJ系列PLC控制的交流伺服电动机的位置控制系统，具有硬件配置简单、容易实现、参数调整方便 ,自动化程度高等优点。该控制系统目前已在油田压裂作业中应用，实践证明系统总体运行状态良好，获得了理想的定位精度，符合生产工艺要求。在实际应用时，绝对位移量、进给速度、微调脉冲数等相关技术参数还可通过人机界面（触摸屏）进行设定和调整。

参考文献：

1、张郑亮，熊新国. 永磁交流伺服系统直线位置的控制与实现[J].河南科技，2011,11（上）:79-80.

2、钟肇新. 可编程控制器原理及应用[ M] . 广州: 华南理工大学出版社, 2008

3、梁峰.浅谈伺服系统【J】.工业技术，2012,7（中）：67

4、CHANG G K，CHEN T L，TSAY D M. Globoidal cam indexing servo drive control by IVSMFC with load torque estimator［J］. Journal of Industry Applications，2002，38（5）：1326-1333.