伺服电机在自动控制领域中的应用

[摘 要]在对伺服电机的结构及工作原理进行论述的基础上，以交流伺服电机为对象，探讨了其工作特点。以实现其在自动控制领域中的应用为目的，分析了基于PLC的交流伺服电机控制原理，并设计了其控制原理图，实现了对交流伺服电机的控制。

[关键词]交流伺服电机；控制；PLC

中图分类号：TM383.4 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2016）09-0089-01

在工业自动化控制以及工业自动化加工生产过程中，一般需要对机械设备的移动距离进行准确定位，从而获得对应尺寸的零部件。而在定位控制过程中，最为关键的就是对伺服电机的控制。因为PLC体积小，且具有高可靠性和强抗干扰能力，是一种专门用于工业控制的计算机。因此，基于伺服电机的工作特点，结合PLC的控制优势，采取PLC+伺服电机的控制方式一直是工业控制领域中最为常见的组合。

1、伺服电机

当前在工业控制领域广泛使用的伺服电机是交流伺服电机，其主要包括转子和定子两个组成部分。其中，转子部分的结构形式包括鼠笼形转子和非磁性杯行转子两种形式。而常用的定子结构则是与旋转变压器的定子结构类似，通过在定子铁心中设置相互垂直的两相绕组构成。根据转子结构的不同，可以将交流伺服电机分为两种形式。其中，鼠笼转子交流伺服电机由转子铁心、轴和转子绕组构成；而非磁性杯形转子交流伺服电机的内定子则由环形的钢片叠放而成。

从当前市场应用情况来看，通常广泛使用鼠笼形转子伺服电机。这主要是因为非磁性杯形转子工作过程中惯量小，轴承的摩擦阻转矩较小，而且转子之间不存在齿槽，使得电机工作过程中没有齿槽啮合的现象，从而使得其转矩和输出功率都较小。另外，杯形转子伺服电机的制造工艺复杂，可靠性相对较低，主要用于十分平稳的场合。因此，本文以广泛应用的鼠笼形转子伺服电机为对象进行讨论。

2、伺服电机在自动控制领域应用中的优势

2.1 控制精度高

在位移控制的过程中，交流伺服电机的控制精度是通过电机轴后端设置的旋转编码器来保证的，能够实现电机主轴转动角度的精确控制。通常，两相步进电机的转矩角度有3.6度、18度两种型号。而五相混合式步进电机的转矩距角则有0.72度、0.36度。便于根据实际控制对象进行灵活选择。

2.2 低频特性良好

通常，步进式电机在低速运行过程中容易出现低频振动的问题，使得控制设备出现“爬行”的现象。这主要是因为步进电机的工作原理所决定的，这对被控制设备而言尤为不利。在这种情况下，交流伺服电机则能够非常稳定的运行，即使在转速非常低的情况下也能够保持平稳运行而不出现振动。这主要是因为在交流伺服电机的控制系统中设置了共振抑制器，即在控制系统的内部加入了频率解析功能，当出现共振点后能够立即检测并进行调整。

3、基于PLC的伺服电机自动控制应用

3.1 交流伺服电机控制原理

在利用伺服电机对设备进行控制时，主要时利用变频技术对交流伺服电机的主轴转角、转矩等参数进行控制。与传统的感应式电机控制相比，这种控制方式具有调速范围大、控制精度高以及动态性能良好的优势。由于交流伺服电机转子使用了永磁体磁钢，因此其磁场不能随意改变，一般用于恒转矩控制系统中，且伺服控制系统使用矢量控制方式。但是，为了实现矢量控制，需要进行对应的矢量定向与参数解耦，必须构建配套的磁通观测系统。

为了实现交流伺服电机的同步控制，需要将变频器、伺服电机和伺服驱动配套使用，其主体控制结构如图1所示。

当伺服驱动接受获得相应的指令控制脉冲信号后，利用变流及对应的控制策略，并输出对应的电压和电流；在电机的运行过程中，设置在电机内部的编码码盘则将电机当前运行的实时信息反馈至伺服驱动系统，从而在整个控制系统中实现闭环控制。但是，在图1中的控制系统中，工作台的导轨位置信息没有进行实时控制。从这个角度来看，该系统属于半闭环的控制系统。但是，工作台与电机系统通常容易实现同步，所以可以通过对电机系统的精密控制来保证工作台的运动同步。若需要对工作台进行更加精密的控制时，则可以在工作台上设置光栅设备，用于将位置信息反馈给控制系统，从而实现精确的闭环控制。

3.2 伺服电机的控制实现

伺服电机控制的最小实现单元为单电机控制，以此为基础通过增加伺服电机数量和对各参数进行关联控制，即可以实现多电机控制，但是单电机控制是基础。因此，本文以实现单伺服电机的控制为目的，探讨伺服电机的控制实现。

采用EC10系列PLC对伺服电机进行控制，其位置控制指令包括DRVA指令、DRVI指令以及PLSV指令。

（1） DRVA指令

DRVA指令属于绝对位置控制，在控制过程中需要预先制定对应的速度脉冲控制字，从而实现对电机运行位置的控制。而在定位的过程中，电机的速度将保持恒定稳态值，完成定位之后即停止运转，等待后续指令。

（2） DRVI指令

DRVI指令是相对位置控制。其速度控制字同样需要预先确定，从而确定其一次能够执行的脉冲数量。在定位指令执行过程中，若速度字发生变化，则必须在指令能流切断一个完整的周期之后才能产生对应的控制效果。

（3） PLSV指令

PLSV指令是指变速运行指令，其可以随时进行更改，速度控制相对灵活。但是，其不具有定位功能，只要控制能流有效就能够持续产生脉冲信号。在实际的控制过程中需要使用特殊的功能寄存器SD80等构建对应的位置系统。

在整个控制系统中，将PLSV指令作为主控指令，而绝对位置控制指令DRVA与相对位置控制指令DRVI则作为辅助控制指令，能够用于实现定位控制以及暂停模式下的电动微调控制，基本能够满足实际工业系统的自动控制。

换向功能是伺服电机控制的另一个重要领域，设计的具有换向功能的伺服电机换向控制流程如图2所示。

通过利用具有特殊功能的数据寄存设备辅助实现，具体的控制过程：特殊数据寄存器SD80作为控制脉冲的输出端口Y0在控制过程中的位置监视量。当PLSV指令控制电机运行过程中， SD80将对控制脉冲数进行计数，并将之与设定的脉冲数进行对比，当超过设定的上界或者下界时，则比较指令对应的上升沿脉冲指令将被激活，从而驱动电机进行换向操作，并对PLSV脉冲数进行取反操作，从而实现对伺服电机的换向。

参考文献：

[1] 凌军.伺服电机在自动控制方面的应用[J]. 科技与企业， 2013（23）.

[2] 张文捷，侯聪聪. PLC在伺服电机位置控制中的应用[J]. 技术与市场， 2012（12）.

[3] 黄灿灿.基于PLC的脉冲磁体绕线机伺服电机控制系统的设计与实现[D]. 华中科技大学，2011.