1 實驗平臺簡介

　　實驗平臺是一個三軸伺服進給系統(tǒng)，該平臺包括1臺上位機(PC機)，1臺下位機(PLC)，三臺伺服電機及相應(yīng)的伺服驅(qū)動器組成。其中x軸由永磁同步電機驅(qū)動，移動范圍為440 mm，進給速度可達300 mm／s；y軸由直流電機驅(qū)動，移動范圍為260 mm，進給速度可達75mm／s；Z軸由步進電機驅(qū)動，移動范圍為140 mm，進給速度可達2.0 mm／s。PLC實現(xiàn)實時性要求高的位置計算及控制，利用RS232口實現(xiàn)計算機與PLC的通信，實現(xiàn)三軸的插補控制，并且利用數(shù)據(jù)采集卡采集進給伺服系統(tǒng)相關(guān)參數(shù)。利用LabVlEW軟件在上位機制作監(jiān)控界面。

2 下位機軟硬件設(shè)計

　　運動和定位的準確性是數(shù)控設(shè)備最重要的性能指標。因此位置伺服系統(tǒng)的性能非常重要。為此，本文利用PLC實現(xiàn)高性能的位置伺服控制。PLC讀取計算機發(fā)送的控制命令，自動模式下，PLC湊取三軸位置給定值，根據(jù)光電碼盤信號計算出當前位移，再計算出控制值，作為伺服單元的給定值，從而控制各軸到達給定位置，然后發(fā)送到達信號給上位機。手動模式下，PLC讀取三軸速度給定或位移量給定，控制三軸電機實現(xiàn)進給。

　　2.1 步進伺服系統(tǒng)

　　步進電機是數(shù)字控制電機，它將電脈沖信號轉(zhuǎn)變成角位移，實質(zhì)上是一種數(shù)字／角度轉(zhuǎn)換器。脈沖的數(shù)量決定了步進電機的轉(zhuǎn)數(shù)，脈沖的頻率決定了步進電機的轉(zhuǎn)速。由PLC發(fā)出脈沖給驅(qū)動器，控制驅(qū)動器驅(qū)動步進電機，從而實現(xiàn)進給。本文采用的兩相步進電機額定電壓為24V，相電流為0.3 A，齒數(shù)為200個。

2.2 直流電機伺服系統(tǒng)

　　直流電機的轉(zhuǎn)速與電樞電壓成正比，轉(zhuǎn)矩則與電樞電流成正比。從控制角度看，直流電機伺服系統(tǒng)的控制是一個單輸入、單輸出的單變量控制系統(tǒng)，經(jīng)典控制理論完全適用于這種系統(tǒng)^。本文直流電機伺服系統(tǒng)采用了經(jīng)典的三環(huán)結(jié)構(gòu)，電流環(huán)作為內(nèi)環(huán)，電流調(diào)節(jié)器采用PI調(diào)節(jié)器，將電流環(huán)校正為I型系統(tǒng)。速度環(huán)作為中環(huán)，速度調(diào)節(jié)器采用PI調(diào)節(jié)器，將速度環(huán)校正為II型系統(tǒng)。位置環(huán)作為外環(huán)，位置調(diào)節(jié)器采用P調(diào)節(jié)器，使輸出快速跟隨給定位移。三環(huán)控制系統(tǒng)可以保證系統(tǒng)運行時的穩(wěn)定性，當速度環(huán)和電流環(huán)內(nèi)部的某些參數(shù)發(fā)生變化或受到擾動時，電流反饋和速度反饋能對這些干擾起到有效的抑制作用，因而對位置環(huán)的工作影響很小。本文中，直流電機采用模擬量控制，通過PLC實現(xiàn)位置環(huán)閉環(huán)。速度環(huán)和電流環(huán)由驅(qū)動器實現(xiàn)。直流伺服驅(qū)動器的主要性能指標：電源電壓50 V，連續(xù)輸出電流5 A，開關(guān)頻率50 kHz，電流控制帶寬2.5 kHz。采用的直流電機的主要性能指標：電機額定轉(zhuǎn)速250 r／min，額定轉(zhuǎn)矩0.65 Nm，額定電流2.8 A，額定電壓48 V。直流電機光電編碼器：1024P／R。

　　2.3 交流伺服系統(tǒng)

　　交流軸由永磁同步電機驅(qū)動。本文采用直軸電流分量i。的控制策略。i_d=0的控制方法優(yōu)點很多，最重要的特點是輸出轉(zhuǎn)矩與定子電流的幅值成正比，使它的運行類似于直流電機，控制簡單，實用性很強，在隱極式同步電機控制系統(tǒng)中應(yīng)用很廣泛。

　　經(jīng)過位移P控制器的調(diào)節(jié)，輸出信號作為速度給定，該信號值與檢測的速度信號相比較，通過速度PI調(diào)節(jié)器的調(diào)節(jié)，輸出信號作為q軸電流PI控制器的給定信號，d軸電流PI控制器的給定信號為0。通過Clarke變換和Park變換將三相定子電流轉(zhuǎn)化為z_d和i_q，將其分別作為d軸和q軸電流調(diào)節(jié)器的反饋輸入。d軸和4軸的電流PI調(diào)節(jié)器的輸出電壓分別為u_d和u_q，經(jīng)過Park逆變換得到一坐標系電壓u_e與u_β，調(diào)制 SVPWM模塊輸出6路PWM信號，驅(qū)動三相橋?qū)崿F(xiàn)電機的驅(qū)動。本文所用交流電機驅(qū)動器的主要性能指標:工作電源電壓單相220 V/50 Hz，連續(xù)輸出電流6 A，開關(guān)頻率50 kHz，電流控制帶寬2. 5kHz。永磁同步電機參數(shù):額定轉(zhuǎn)速2 000 r/min,額定轉(zhuǎn)矩3 Nm，額定相電流2. 0 A,額定電壓220 V 。脈沖編碼器:2500P/R。

3上位機軟件設(shè)計

　　3.1 虛擬儀器簡介

　　虛擬儀器的概念是由美國國家儀器公司(National Instruments)最先提出的。虛擬儀器的三大主要功能是:數(shù)據(jù)采集，數(shù)據(jù)測試和分析，結(jié)果輸出顯示s虛擬儀器以通用計算機和配置標準數(shù)字接口的測量儀器(包括GPIB, RS-232等傳統(tǒng)儀器以及新型的VXI模塊化儀器)為基礎(chǔ)，將儀器硬件連接到各種計算機平臺上，直接利用計算機豐富的軟硬件資源，將計算機硬件(處理器、存儲器、顯示器)和測量儀器(頻率計、示波器、信號源)等硬件資源與計算機軟件資源(包括數(shù)據(jù)的處理、控制、分析和表達、過程通信以及圖形用戶界面)有機地結(jié)合起來。

　　3.2 上位機程序設(shè)計

　　上位機程序主要完成參數(shù)設(shè)定、插補計算、回原點、顯示伺服系統(tǒng)參數(shù)、通信、限位保護以及保存數(shù)據(jù)等功能。

　　上電時，在上位機界面中設(shè)置好各個參數(shù)，程序?qū)⑾到y(tǒng)初始化，在自動模式下，上位機不斷地通過RS232與PLC通信，發(fā)送指令，自動完成插補進給；在手動模式下，可以人工設(shè)置各軸的進給速度或者進給位移，通過通信模塊傳給PLC完成進給。在進給的過程中系統(tǒng)會時刻檢測是否限位，如果限位則停止進給并發(fā)出警報。此外，上位機程序會利用PLC和數(shù)據(jù)采集卡完成伺服系統(tǒng)的參數(shù)計算及采集，實現(xiàn)對各種電機電流、速度，以及位移的顯示，配合數(shù)據(jù)保存功能可以保存這些數(shù)據(jù)以供分析之用。

　　上位機程序的通信模塊主要實現(xiàn)計算機與PLC的RS232口通信。本平臺使用臺達DVP-12SC型PLC，支持高達11.52 kbit／s的通信速率。該PLCASCII模式通信格式。

4 實驗結(jié)果

　　經(jīng)過調(diào)試，分別對X、Y軸電機設(shè)定了10.00 mm以及20.00 mm的位移給定值，測量各軸的實際進給量。實際工作時各電機的轉(zhuǎn)速及電流。

　　X軸和y軸的導(dǎo)程是3 mm，X軸編碼器為2500P／R，由此可看出X軸誤差基本控制在8個脈沖以內(nèi)。y軸編碼器為1000P／R，可見y軸誤差基本控制在10個脈沖以內(nèi)。對于半閉環(huán)機床系統(tǒng)來說，已經(jīng)達到了較高的精度。由于步進電機控制較為簡單，故在此不進行討論。

5 結(jié)束語

　　本文利用PLC、數(shù)據(jù)采集卡和LabVIEW軟件實現(xiàn)了位置伺服系統(tǒng)的高實時性控制，彌補了Windows系統(tǒng)下計算機控制實時性差的缺點，在此基礎(chǔ)上研制了具有多類型伺服的三軸數(shù)控機床進給系統(tǒng)實驗平臺。該平臺應(yīng)用于實驗教學(xué)中，為電氣工程系學(xué)生提供了一個良好的實踐平臺，幫助學(xué)生將所學(xué)的知識與實踐結(jié)合，提高了學(xué)生的動手能力，受到了學(xué)生的好評。