PLC控制異步電機變頻調(diào)速傳送帶精確定位系統(tǒng)的設計

鐘家振++張非凡++涂豪翔

摘 要：三相異步電機變頻調(diào)速可以獲得理想的調(diào)速性能，當進一步采用PLC、D/A轉(zhuǎn)換器、變頻器、三相異步電機及旋轉(zhuǎn)編碼器組成閉環(huán)控制系統(tǒng)將大大提高控制性能，可進行PID控制，具有遠程通信功能，閉環(huán)系統(tǒng)又能提高位置控制的定位精度，本文介紹了采用PLC來實現(xiàn)傳送帶精確定位閉環(huán)控制的方法。

關鍵詞：變頻調(diào)速 選轉(zhuǎn)編碼器 定位精度 閉環(huán)控制

中圖分類號：G64 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2014）01（b）-0029-01

在自動化生產(chǎn)線控制過程中，產(chǎn)品的加工、分揀、入庫等工序中，經(jīng)常要求控制系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)快速精確定位，常用的控制有步進電機位置控制、伺服電機閉環(huán)控制以及異步電機變頻調(diào)速閉環(huán)控制等多種方式，本系統(tǒng)采用了PLC為核心控制設備，實現(xiàn)精確定位閉環(huán)控制的方法。

1 系統(tǒng)的基本結構及控制過程分析

控制系統(tǒng)由PLC、D/A轉(zhuǎn)換器、變頻器、三相異步電機及旋轉(zhuǎn)編碼器組成。本系統(tǒng)選用了三菱系列的FX2N-32MR型PLC、FX2N-2DA模擬量輸出模塊以及FR-E740型變頻器；可帶動0.75 kW及以下的異步電動機，選用增量式通用型旋轉(zhuǎn)編碼器。

由PLC向轉(zhuǎn)換器D/A通道提供電機運行速度相對應的數(shù)字量信號，并發(fā)出啟動轉(zhuǎn)換命令；轉(zhuǎn)換器將速度數(shù)字量信號轉(zhuǎn)換為模擬電壓或電流信號，并輸出給變頻器；變頻器根據(jù)輸入信號的大小將50 Hz的工頻電源轉(zhuǎn)換為相應頻率的交流電向異步電動機供電；旋轉(zhuǎn)編碼器直接連接在電機或傳送帶的主動軸上將電機轉(zhuǎn)過的弧度轉(zhuǎn)換成脈沖，反饋回PLC，PLC通過脈沖數(shù)量計算出傳送帶的運送距離，以實現(xiàn)精確定位。系統(tǒng)機構見圖1。

2 PLC向轉(zhuǎn)換器的編程控制

D/A轉(zhuǎn)換器可選用FX2N-2DA模擬量輸出模塊，它是具有兩路D/A通道，最大分辨率為8位的模擬量I/O模塊，模擬量輸出方式均有電壓和電流兩種，可供用戶選擇；在出廠時輸入通道的數(shù)字量均為0～250，模擬量輸出為電壓0～10 V，如果模擬量改用電流，就需要重新調(diào)整偏置和增益。模塊內(nèi)部都有由32個16位二進制的數(shù)據(jù)寄存器構成的緩沖區(qū)，作為與PLC進行數(shù)據(jù)通信的區(qū)域，PLC可以通過特殊功能模塊指令向轉(zhuǎn)換器發(fā)送控制命令，對于FX2N-2DA模塊，可先由寫（TO）指令，向的模塊0#緩沖區(qū)寫入兩位十六進制來控制通道的輸出模式，寫入0為電壓輸出（-10 ～+10 V），寫入1為電流輸出（+4～+20 mA）；并向1#和2#緩沖區(qū)分別寫入欲轉(zhuǎn)換的數(shù)字信號；當向21#緩沖區(qū)的b1、b0位寫入0、1后，便可通過23#和24#緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)來調(diào)整增益和零點。同時模塊上均設置了零點和增益的調(diào)整開關，給使用者提供了調(diào)整的方便。

3 變頻器的參數(shù)設置與輸出頻率的控制

變頻器根據(jù)FX2N-2DA模擬量輸出模塊提供的模擬電壓或電流信號調(diào)整輸出三相交流電源的頻率，以達到控制電動機的轉(zhuǎn)速目的；變頻器與PLC之間也可通過 FX2N-485-BD或FX2N-485ADP實現(xiàn)通信，或直接由STF、SFR外部子控制，使用時不僅要電路的連接無誤，同時還需對其參數(shù)正確設置，以三菱E500主流系列產(chǎn)品E450型變頻器為例；運行模式選擇（Pr.79）設置為2，外部運行模式；模擬量輸入選擇（Pr.73）設置為0或1，輸入電壓0～10 V或0～5 V，必須與功能模塊D/A通道的輸出相匹配；直流制動動作時間和頻率（Pr.10、11）分別可以設置為0.5 s、5 Hz。

4 旋轉(zhuǎn)編碼器反饋信號與位移的分析

旋轉(zhuǎn)編碼器是連接在電機轉(zhuǎn)軸或傳送帶主動軸上，通過光電轉(zhuǎn)換，將軸上機械、幾何位移量轉(zhuǎn)換成脈沖信號，可以實現(xiàn)速度和位移的檢測。一般依據(jù)旋轉(zhuǎn)編碼器輸出的脈沖方式不同，可以分為增量式、絕對式及復合式。本系統(tǒng)采用增量式編碼器，具有A、B兩組相差900，當A相超前B相時為正轉(zhuǎn)，當B相超前A相時則為反轉(zhuǎn)，將A、B兩相脈沖直接連接到PLC的高速計數(shù)器輸入端，可以計算每兩脈沖之間的移動距離，即脈沖當量。如旋轉(zhuǎn)編碼器的分辨率為N=500線，傳送帶主動軸的直徑為D=45 mm，則電機每轉(zhuǎn)一周，兩脈沖之間的移動距離，即脈沖當量μ=（п·D）/N=3.14×45/500=0.282 mm，若當PLC測得脈沖數(shù)為M，則可推算出傳送帶上工件的移動距離L=μ·M。

5 高速計數(shù)器的選用與編程

由于旋轉(zhuǎn)編碼器的分辨率越高則輸出脈沖的頻率也就越高，當超過PLC機內(nèi)掃描頻率時，必須采用PLC高速計數(shù)器，以中斷方式進行計數(shù)；FX2N型PLC內(nèi)置有21點高速計數(shù)器C235-C255，每個高速計數(shù)器都規(guī)定了其功能和使用的輸入點，其中C235-C245的11個功能為一相1計數(shù)輸入，即一個計數(shù)器占用一個高速計數(shù)輸入點，可由特殊輔助繼電器M8ΔΔΔ的狀態(tài)決定是增序或減序計數(shù)，C246-C250的5個功能為一相2計數(shù)輸入，即一個計數(shù)器占用2個高速計數(shù)輸入點，一個增計數(shù)輸入，一個減計數(shù)輸入；C251-C255的5個功能為2相2計數(shù)輸入，即一個計數(shù)器占用2個高速計數(shù)輸入點，一個A相計數(shù)輸入，一個B相計數(shù)輸入；當A相超前B相時增計數(shù)，當B相超前A相時則減計數(shù)。本系統(tǒng)采用C251高速計數(shù)，由PLC的X0和X1分別采樣編碼器的A、B兩相脈沖。

6 系統(tǒng)運行的調(diào)試

如工件在傳送帶上要求移動350.5 mm，由上述理論上的脈沖當量計算，則編碼器約應發(fā)出1243個脈沖，但在實際應用時會有各種的誤差，如傳送帶主軸的測量誤差，傳送帶的張度及安裝偏差等，所以必須采用現(xiàn)場脈沖當量測試的方法對理論計算予以修正，可多次實測工件移動距離和高速計數(shù)脈沖數(shù)，計數(shù)出實測脈沖當量，求取均值。

在現(xiàn)場安裝調(diào)試過程中，需仔細調(diào)整電動機與主動軸之間聯(lián)動軸的同心度，同時調(diào)節(jié)張緊度，以電機輸入頻率為1 Hz時可啟動為宜，兩邊應平衡調(diào)節(jié)，避免皮帶運行跑偏。

7 結語

本系統(tǒng)應用PLC通過變頻器對三相異步電機實現(xiàn)變頻調(diào)速，并采用旋轉(zhuǎn)編碼器將旋轉(zhuǎn)角度和傳送距離對PLC進行反饋，從而實現(xiàn)了位移的精確定位。

參考文獻

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