基于PLC的直流伺服電機(jī)定占空比調(diào)頻調(diào)速

王平，高明華，馬坤，公維帥，榮偉

（1.中國(guó)石油大學(xué) 信息與控制工程學(xué)院，山東 東營(yíng) 257061；2.勝利油田技術(shù)檢測(cè)中心，山東 東營(yíng) 257061）

基于PLC的直流伺服電機(jī)定占空比調(diào)頻調(diào)速

王平1，高明華1，馬坤2，公維帥1，榮偉1

（1.中國(guó)石油大學(xué) 信息與控制工程學(xué)院，山東 東營(yíng) 257061；2.勝利油田技術(shù)檢測(cè)中心，山東 東營(yíng) 257061）

現(xiàn)在很多可編程控制器（PLC）中集成了高速脈沖輸出功能，這為運(yùn)動(dòng)控制提供了方便，但是高速脈沖輸出的占空比一般固定不變，這使PLC直接應(yīng)用到直流伺服電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)中出現(xiàn)了困難。選用L298N驅(qū)動(dòng)芯片，充分利用PLC高速脈沖輸出功能，在不增加外圍器件情況下，提出定占空比調(diào)頻調(diào)速的方法，并將其應(yīng)用到IC卡生產(chǎn)線(xiàn)。實(shí)際應(yīng)用結(jié)果表明直流伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)速與PLC脈沖輸出頻率成線(xiàn)性關(guān)系，定占空比調(diào)頻能夠在一定條件下實(shí)現(xiàn)電機(jī)的精確調(diào)速。

調(diào)頻調(diào)速；定占空比；伺服電機(jī)；可編程控制器

1 引言

隨著PLC技術(shù)的發(fā)展，PLC的功能明顯增強(qiáng)?，F(xiàn)在很多品牌、很多型號(hào)的PLC［1］中都集成了高速脈沖輸出功能，這為運(yùn)動(dòng)控制提供了極大的方便。目前直流電機(jī)常用的調(diào)速方法是PWM調(diào)速、弱磁調(diào)速［2］等，但是一般PLC的高速脈沖輸出頻率在很大范圍內(nèi)可以變動(dòng)，而占空比固定不變，對(duì)于占空比不變的高速脈沖輸出來(lái)說(shuō)，直接應(yīng)用PWM調(diào)速、弱磁調(diào)速等方法就很難實(shí)現(xiàn)。現(xiàn)在開(kāi)關(guān)器件一般開(kāi)關(guān)頻率都很高，集成直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片開(kāi)關(guān)時(shí)間也非常短，本文中選用的L298N是μs級(jí)的，還有ns級(jí)的LMD18200等芯片，這些驅(qū)動(dòng)芯片的存在為定占空比調(diào)頻調(diào)速的應(yīng)用提供了便利。本文充分利用PLC高速脈沖輸出功能，不增加外圍器件，利用L298N芯片，提出一種固定占空比、通過(guò)改變輸入脈沖頻率實(shí)現(xiàn)直流伺服電機(jī)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)的方法。

2 定占空比調(diào)頻調(diào)速原理

改變電機(jī)端電壓是目前實(shí)現(xiàn)直流電機(jī)調(diào)速的主要方法，只要改變直流伺服電機(jī)的端電壓就可以實(shí)現(xiàn)電機(jī)的調(diào)速［3］。如圖1所示，在以PLC為控制核心的直流伺服電機(jī)控制系統(tǒng)中，利用驅(qū)動(dòng)芯片L298N構(gòu)建驅(qū)動(dòng)電路，以PLC高速脈沖輸出作為驅(qū)動(dòng)電路輸入。在保證直流伺服電機(jī)電樞電流不斷續(xù)的情況下改變PLC輸出脈沖頻率，研究脈沖頻率對(duì)直流伺服電機(jī)端電壓的影響。

圖1 基于PLC的直流電機(jī)控制系統(tǒng)Fig.1 Control system for DC motor based on PLC

利用L298N驅(qū)動(dòng)直流伺服電機(jī)，為了提高L298N的驅(qū)動(dòng)電流，將兩路輸入、輸出并聯(lián)使用，若要實(shí)現(xiàn)電機(jī)的正反轉(zhuǎn)，將圖1中的1，2端短接，即可實(shí)現(xiàn)電機(jī)M1的正反轉(zhuǎn)。為了實(shí)現(xiàn)電機(jī)的速度可調(diào)，在輸入端采用高速脈沖輸入?，F(xiàn)以直流伺服電機(jī)M1的速度控制為例分析。

假設(shè)輸入脈沖周期分別為T(mén)1，T2，T3，占空比ρ為1／2，脈沖高低電平為T(mén)TL電平，理想條件下M1的端電壓波形u（t）見(jiàn)圖2。根據(jù)圖2可知，電機(jī)M1端電壓u（t）在1個(gè)周期內(nèi)的平均值，即電機(jī)的端電壓Ud在不同脈沖周期下均為下式的值，

無(wú)論脈沖頻率如何改變，均不會(huì)改變直流伺服電機(jī)的端電壓Ud。

圖2 理想情況下u（t）的波形Fig.2 Ideal waveforms of u（t）

在實(shí)際情況下，由于L298N內(nèi)部開(kāi)關(guān)延遲時(shí)間的影響，電機(jī)M1端電壓u（t）的實(shí)際波形并不是嚴(yán)格的脈沖方波，將驅(qū)動(dòng)芯片L298N的開(kāi)關(guān)延遲時(shí)間考慮在內(nèi)，分2種情況討論直流伺服電機(jī)端電壓Ud與PLC輸出脈沖頻率f的關(guān)系。

2.1 L298N開(kāi)關(guān)頻率大于PLC高速脈沖頻率

在保證PLC輸出脈沖頻率大于使直流伺服電機(jī)電樞電流連續(xù)的最小頻率條件下，電機(jī)M1兩端電壓u（t）的實(shí)際波形如圖3所示。

圖3 實(shí)際情況下u（t）的波形Fig.3 Actual waveforms of u（t）

當(dāng)輸入脈沖周期T大于L298N的開(kāi)關(guān)延遲時(shí)間時(shí)，忽略L298N內(nèi)部每次動(dòng)作開(kāi)關(guān)延遲時(shí)間上的微小差異，把L298N每次開(kāi)關(guān)造成通斷時(shí)間上的延遲看做相同的。在高速脈沖周期為T(mén)，脈沖頻率為f時(shí)，分析電機(jī)M1上的直流電壓Ud。如圖4所示，L298N導(dǎo)通時(shí)的延遲時(shí)間在電壓u（t）波形上形成的面積為Δs1，關(guān)斷時(shí)的延遲時(shí)間在電壓u（t）波形上形成的面積為Δs2，占空比為ρ，則得到下式：

圖4 輸入脈沖頻率為f時(shí)電壓u（t）的波形Fig.4 Waveform of u（t）when frequency of input pulse is f

在式（2）中，由于L298N的關(guān)斷延遲時(shí)間大于導(dǎo)通延遲時(shí)間，Δs2必然大于Δs1，這就說(shuō)明在考慮L298N內(nèi)部開(kāi)關(guān)延遲時(shí)間影響后，實(shí)際情況下驅(qū)動(dòng)電路輸入脈沖周期不同時(shí)，直流伺服電機(jī)M1上的端電壓Ud是不相同的。在高速脈沖頻率小于驅(qū)動(dòng)芯片開(kāi)關(guān)頻率、大于保證電樞電流連續(xù)的最小頻率條件下，直流伺服電機(jī)的端電壓Ud與占空比ρ成正比，與輸入脈沖頻率f成正比，2個(gè)變量都與驅(qū)動(dòng)芯片輸出的端電壓Ud具有線(xiàn)性對(duì)應(yīng)關(guān)系，固定占空比調(diào)頻可以改變直流端電壓Ud，從而改變直流伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)速。

2.2 L298N開(kāi)關(guān)頻率小于PLC高速脈沖頻率

此種情況下，L298N會(huì)長(zhǎng)期處于一直導(dǎo)通的狀態(tài)，實(shí)際電機(jī)的端電壓u（t）波形如圖5所示。在這種情況下固定占空比、調(diào)節(jié)輸入脈沖頻率仍然可以改變直流伺服電機(jī)M1的端電壓Ud，從而達(dá)到調(diào)速的目的。隨著脈沖頻率f的不斷提高，相應(yīng)的電機(jī)端電壓Ud會(huì)不斷增大，電機(jī)的旋轉(zhuǎn)速度也會(huì)不斷加快，但是這種脈沖頻率f的改變與端電壓Ud的變化不再是線(xiàn)性關(guān)系，控制器只能定性地知道脈沖頻率f改變引起端電壓Ud改變和電機(jī)速度變化的趨勢(shì)，很難定量得到脈沖頻率f的變化量與電機(jī)端電壓Ud變化量、電機(jī)旋轉(zhuǎn)速度變化量之間的具體對(duì)應(yīng)關(guān)系。所以當(dāng)PLC輸出的脈沖周期T小于驅(qū)動(dòng)芯片L298N的開(kāi)關(guān)延遲時(shí)間時(shí)，定占空比調(diào)頻調(diào)速只適合應(yīng)用于直流伺服電機(jī)的定性調(diào)速，不能用于電機(jī)速度的精確控制。

圖5 脈沖頻率大于開(kāi)關(guān)時(shí)間時(shí)u（t）的波形Fig.5 Waveforms of u（t）when pulse frequency is higher than the switching time

3 在IC卡生產(chǎn)線(xiàn)上的實(shí)際應(yīng)用

IC卡生產(chǎn)線(xiàn)是由入卡、寫(xiě)磁、翻轉(zhuǎn)、燙金、凸凹字、出卡等多個(gè)模塊組合而成的生產(chǎn)線(xiàn)，其中每個(gè)模塊均采用FP∑型號(hào)的PLC進(jìn)行集成控制。IC卡生產(chǎn)線(xiàn)上很多小型傳輸電機(jī)因走卡數(shù)量、不同模塊工作速度及機(jī)械結(jié)構(gòu)的不同，需要在3 000～5 000r／min高速范圍內(nèi)進(jìn)行調(diào)速。由于過(guò)多的外圍電路不利于模塊集成和生產(chǎn)線(xiàn)的穩(wěn)定，定占空比調(diào)頻調(diào)速又可以減少外圍器件和芯片，利用松下FP∑型號(hào)PLC的高速脈沖輸出功能，使用F172指令為L(zhǎng)298N的輸入端提供高速脈沖，就可以直接控制IC卡生產(chǎn)線(xiàn)上小型直流伺服電機(jī)的運(yùn)動(dòng)速度，這使IC卡生產(chǎn)線(xiàn)上小型高速直流伺服電機(jī)的控制變得非常方便。

3.1 FP∑PLC高速脈沖輸出功能及F172指令簡(jiǎn)介

FP∑PLC配備標(biāo)準(zhǔn)的高速脈沖輸出功能，脈沖輸出頻率單路時(shí)可達(dá)100kHz，雙路時(shí)可達(dá)60kHz；可使用 Pulse／Sign輸出方式或 CW／CCW輸出方式進(jìn)行高速脈沖的輸出。PLC通過(guò)高速脈沖輸出功能可以輕松實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)、直流伺服電機(jī)等電機(jī)的控制。

F172［4］指令是FP∑PLC中可設(shè)定目標(biāo)值的JOG運(yùn)行指令。該指令通過(guò)數(shù)據(jù)表設(shè)定高速脈沖輸出的控制代碼（含頻率范圍、輸出方式等）、脈沖頻率和輸出通道。F172指令的應(yīng)用如圖6所示，執(zhí)行圖中的數(shù)據(jù)表程序后，當(dāng)XB為ON時(shí)，PLC就會(huì)從Y0輸出300Hz的脈沖。

圖6 F172指令使用范例Fig.6 Example of command F172

3.2 PLC輸出脈沖頻率f的選取

在實(shí)際應(yīng)用中，為了保證PLC輸出脈沖頻率與直流伺服電機(jī)端電壓的線(xiàn)性對(duì)應(yīng)關(guān)系，脈沖頻率的選取要估算驅(qū)動(dòng)芯片L298N的開(kāi)關(guān)頻率。根據(jù)L298N輸入電流上升、下降及開(kāi)關(guān)延遲時(shí)間［5］可知L298N開(kāi)關(guān)時(shí)間一般為

考慮二極管續(xù)流等其它因素的影響，實(shí)際使用時(shí)將總的開(kāi)關(guān)時(shí)間選為

若要求電機(jī)能夠正反轉(zhuǎn)，還需要考慮L298N的電流換向頻率，一般換向頻率為25kHz；同時(shí)為了保證直流伺服電機(jī)電樞電流不出現(xiàn)斷續(xù)，PLC脈沖輸出頻率要大于電樞電流斷續(xù)的下限，經(jīng)測(cè)定選擇的帶減速箱的PITTMAN 8222系列直流電機(jī)的下限為20Hz。

綜合上述多方面的考慮，PLC輸出的脈沖頻率f應(yīng)該滿(mǎn)足：

3.3 具體應(yīng)用

取L298N的電源為28.14V，即Us＝28.14 V，占空比取ρ＝1／2，所使用的直流伺服電機(jī)額定轉(zhuǎn)速為5 420r／min，額定電壓為24V，電樞電阻基本為0；減速箱型號(hào)為PITTMAN G35A，減速比為19.5∶1。在20Hz和20kHz之間選擇PLC輸出的脈沖頻率，由于電機(jī)轉(zhuǎn)速不易測(cè)量，在不同頻率下測(cè)得L298N的輸出端電壓，即電機(jī)M1的端電壓Ud，并計(jì)算出相對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)速，得到表1。

表1 不同頻率下的電機(jī)端電壓和轉(zhuǎn)速Tab.1 Voltage and speed of DC motor at different frequency

利用Matlab曲線(xiàn)擬合工具箱，將上述Ud和f的數(shù)據(jù)進(jìn)行曲線(xiàn)擬合得到圖7，擬合方程選為

其中，自變量為f，因變量為Ud，由前面的理論推導(dǎo)可知，此處的a＝（Δs1-Δs2）Us，c＝ρUs，也就是說(shuō)在電源電壓固定的情況下，占空比ρ只會(huì)改變曲線(xiàn)的截距，與曲線(xiàn)的斜率無(wú)關(guān)。圖7所示的曲線(xiàn)是ρ＝1／2時(shí)的端電壓U與驅(qū)動(dòng)電路輸入脈沖頻率f的對(duì)應(yīng)關(guān)系，得到擬合方程為

從圖7及得到的式（7）可以看出：L298N輸出端連接的電機(jī)M1端電壓Ud與PLC的輸出脈沖頻率f具有嚴(yán)格的線(xiàn)性對(duì)應(yīng)關(guān)系，隨著脈沖頻率f的增加，端電壓Ud是線(xiàn)性增加的，從而帶動(dòng)直流伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)速線(xiàn)性增大；當(dāng)PLC的脈沖輸出頻率在50Hz～15kHz變化時(shí)，IC卡生產(chǎn)線(xiàn)上的小型直流伺服電機(jī)轉(zhuǎn)速在3 188.83～5 706.87r／min間變化，滿(mǎn)足生產(chǎn)線(xiàn)上小型傳輸電機(jī)的工作調(diào)速需求范圍3 000～5 000r／min，并且減少了常規(guī)PWM調(diào)速所需外加的器件。

圖7 電壓U與脈沖頻率f的對(duì)應(yīng)關(guān)系Fig.7 The contrast relation between voltage U and pulse frequency f

4 結(jié)論

定占空比調(diào)頻調(diào)速由于考慮驅(qū)動(dòng)芯片的開(kāi)關(guān)頻率，使PLC的高速脈沖功能在直流伺服電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)中得到充分利用，并保留了PWM調(diào)速范圍寬、可實(shí)現(xiàn)均勻無(wú)極調(diào)速的優(yōu)點(diǎn)；在FP∑PLC控制的IC卡生產(chǎn)線(xiàn)上，定占空比調(diào)頻調(diào)速通過(guò)簡(jiǎn)單的F172指令，實(shí)現(xiàn)了生產(chǎn)線(xiàn)上小型直流伺服電機(jī)在要求的轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)可調(diào)，并且大大減少了生產(chǎn)線(xiàn)的外圍電路，提高了集成模塊的可靠性。另外，占空比保持在1／2不變，只調(diào)節(jié)脈沖頻率進(jìn)行調(diào)速可以實(shí)現(xiàn)電子器件完全導(dǎo)通、完全關(guān)斷，能夠提高電子器件的使用壽命；同時(shí)，較高的電子器件開(kāi)關(guān)頻率還能保證電樞電流輸出波形比較光滑、諧波較少，這對(duì)電機(jī)的運(yùn)行、維護(hù)也大有好處。

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修改稿日期：2012-01-10

DC Servo Motor′s Speed Regulation Method of Adjusting Frequency at Fixed Duty Cycle Based on PLC

WANG Ping1，GAO Ming-hua1，MA Kun2，GONG Wei-shuai1，RONG Wei1
（1.InformationandControlEngineeringInstitute，ChinaUniversityofPetroleum，Dongying257061，Shandong，China；2.TechnologyInspectionCenter，Dongying257061，Shandong，China）

Many programmable logic controllers（PLC）have integrated high-speed pulse output functions，which provide convenience for motion control.But high-speed pulse output of fixed duty cycle caused difficulties when PLC directly applied to the PWM speed regulation of DC servo motor.Took full use of PLC′s highspeed pulse output selected the driver chip L298N，and proposed the method of adjusting the frequency to change speed at fixed duty cycle without extra external devices and applied to production line of IC card.Experimental result shows the DC servo motor speed and the pulse output frequency is linear relationship.The method can achieve the precise speed regulation of DC servo motor.

speed regulation by adjusting frequency；fixed duty cycle；servo motor；programmable logic controller

TM383

A

王平（1956-），男，教授，碩士生導(dǎo)師，Email：wp8393030＠126.com

2011-07-11