PLC控制異步電機變頻調速傳送帶精確定位系統的設計

鐘家振++張非凡++涂豪翔

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

關鍵詞：變頻調速 選轉編碼器 定位精度 閉環控制

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

在自動化生產線控制過程中，產品的加工、分揀、入庫等工序中，經常要求控制系統能夠實現快速精確定位，常用的控制有步進電機位置控制、伺服電機閉環控制以及異步電機變頻調速閉環控制等多種方式，本系統采用了PLC為核心控制設備，實現精確定位閉環控制的方法。

1 系統的基本結構及控制過程分析

控制系統由PLC、D/A轉換器、變頻器、三相異步電機及旋轉編碼器組成。本系統選用了三菱系列的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編碼器。

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

2 PLC向轉換器的編程控制

D/A轉換器可選用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，就需要重新調整偏置和增益。模塊內部都有由32個16位二進制的數據寄存器構成的緩沖區，作為與PLC進行數據通信的區域，PLC可以通過特殊功能模塊指令向轉換器發送控制命令，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#緩沖區分別寫入欲轉換的數字信號；當向21#緩沖區的b1、b0位寫入0、1后，便可通過23#和24#緩沖區的數據來調整增益和零點。同時模塊上均設置了零點和增益的調整開關，給使用者提供了調整的方便。

3 變頻器的參數設置與輸出頻率的控制

變頻器根據FX2N-2DA模擬量輸出模塊提供的模擬電壓或電流信號調整輸出三相交流電源的頻率，以達到控制電動機的轉速目的；變頻器與PLC之間也可通過 FX2N-485-BD或FX2N-485ADP實現通信，或直接由STF、SFR外部子控制，使用時不僅要電路的連接無誤，同時還需對其參數正確設置，以三菱E500主流系列產品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 旋轉編碼器反饋信號與位移的分析

旋轉編碼器是連接在電機轉軸或傳送帶主動軸上，通過光電轉換，將軸上機械、幾何位移量轉換成脈沖信號，可以實現速度和位移的檢測。一般依據旋轉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，當B相超前A相時則為反轉，將A、B兩相脈沖直接連接到PLC的高速計數器輸入端，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 高速計數器的選用與編程

由于旋轉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機內掃描頻率時，必須采用PLC高速計數器，以中斷方式進行計數；FX2N型PLC內置有21點高速計數器C235-C255，每個高速計數器都規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計數輸入，即一個計數器占用一個高速計數輸入點，可由特殊輔助繼電器M8ΔΔΔ的狀態決定是增序或減序計數，C246-C250的5個功能為一相2計數輸入，即一個計數器占用2個高速計數輸入點，一個增計數輸入，一個減計數輸入；C251-C255的5個功能為2相2計數輸入，即一個計數器占用2個高速計數輸入點，一個A相計數輸入，一個B相計數輸入；當A相超前B相時增計數，當B相超前A相時則減計數。本系統采用C251高速計數，由PLC的X0和X1分別采樣編碼器的A、B兩相脈沖。

6 系統運行的調試

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脈沖數，計數出實測脈沖當量，求取均值。

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

7 結語

本系統應用PLC通過變頻器對三相異步電機實現變頻調速，并采用旋轉編碼器將旋轉角度和傳送距離對PLC進行反饋，從而實現了位移的精確定位。

參考文獻

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