PLC控制异步电机变频调速传送带精确定位系统的设计

钟家振++张非凡++涂豪翔

摘 要：三相异步电机变频调速可以获得理想的调速性能，当进一步采用PLC、D/A转换器、变频器、三相异步电机及旋转编码器组成闭环控制系统将大大提高控制性能，可进行PID控制，具有远程通信功能，闭环系统又能提高位置控制的定位精度，本文介绍了采用PLC来实现传送带精确定位闭环控制的方法。

关键词：变频调速 选转编码器 定位精度 闭环控制

中图分类号：G64 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2014）01（b）-0029-01

在自动化生产线控制过程中，产品的加工、分拣、入库等工序中，经常要求控制系统能够实现快速精确定位，常用的控制有步进电机位置控制、伺服电机闭环控制以及异步电机变频调速闭环控制等多种方式，本系统采用了PLC为核心控制设备，实现精确定位闭环控制的方法。

1 系统的基本结构及控制过程分析

控制系统由PLC、D/A转换器、变频器、三相异步电机及旋转编码器组成。本系统选用了三菱系列的FX2N-32MR型PLC、FX2N-2DA模拟量输出模块以及FR-E740型变频器；可带动0.75 kW及以下的异步电动机，选用增量式通用型旋转编码器。

由PLC向转换器D/A通道提供电机运行速度相对应的数字量信号，并发出启动转换命令；转换器将速度数字量信号转换为模拟电压或电流信号，并输出给变频器；变频器根据输入信号的大小将50 Hz的工频电源转换为相应频率的交流电向异步电动机供电；旋转编码器直接连接在电机或传送带的主动轴上将电机转过的弧度转换成脉冲，反馈回PLC，PLC通过脉冲数量计算出传送带的运送距离，以实现精确定位。系统机构见图1。

2 PLC向转换器的编程控制

D/A转换器可选用FX2N-2DA模拟量输出模块，它是具有两路D/A通道，最大分辨率为8位的模拟量I/O模块，模拟量输出方式均有电压和电流两种，可供用户选择；在出厂时输入通道的数字量均为0～250，模拟量输出为电压0～10 V，如果模拟量改用电流，就需要重新调整偏置和增益。模块内部都有由32个16位二进制的数据寄存器构成的缓冲区，作为与PLC进行数据通信的区域，PLC可以通过特殊功能模块指令向转换器发送控制命令，对于FX2N-2DA模块，可先由写（TO）指令，向的模块0#缓冲区写入两位十六进制来控制通道的输出模式，写入0为电压输出（-10 ～+10 V），写入1为电流输出（+4～+20 mA）；并向1#和2#缓冲区分别写入欲转换的数字信号；当向21#缓冲区的b1、b0位写入0、1后，便可通过23#和24#缓冲区的数据来调整增益和零点。同时模块上均设置了零点和增益的调整开关，给使用者提供了调整的方便。

3 变频器的参数设置与输出频率的控制

变频器根据FX2N-2DA模拟量输出模块提供的模拟电压或电流信号调整输出三相交流电源的频率，以达到控制电动机的转速目的；变频器与PLC之间也可通过 FX2N-485-BD或FX2N-485ADP实现通信，或直接由STF、SFR外部子控制，使用时不仅要电路的连接无误，同时还需对其参数正确设置，以三菱E500主流系列产品E450型变频器为例；运行模式选择（Pr.79）设置为2，外部运行模式；模拟量输入选择（Pr.73）设置为0或1，输入电压0～10 V或0～5 V，必须与功能模块D/A通道的输出相匹配；直流制动动作时间和频率（Pr.10、11）分别可以设置为0.5 s、5 Hz。

4 旋转编码器反馈信号与位移的分析

旋转编码器是连接在电机转轴或传送带主动轴上，通过光电转换，将轴上机械、几何位移量转换成脉冲信号，可以实现速度和位移的检测。一般依据旋转编码器输出的脉冲方式不同，可以分为增量式、绝对式及复合式。本系统采用增量式编码器，具有A、B两组相差900，当A相超前B相时为正转，当B相超前A相时则为反转，将A、B两相脉冲直接连接到PLC的高速计数器输入端，可以计算每两脉冲之间的移动距离，即脉冲当量。如旋转编码器的分辨率为N=500线，传送带主动轴的直径为D=45 mm，则电机每转一周，两脉冲之间的移动距离，即脉冲当量μ=（п·D）/N=3.14×45/500=0.282 mm，若当PLC测得脉冲数为M，则可推算出传送带上工件的移动距离L=μ·M。

5 高速计数器的选用与编程

由于旋转编码器的分辨率越高则输出脉冲的频率也就越高，当超过PLC机内扫描频率时，必须采用PLC高速计数器，以中断方式进行计数；FX2N型PLC内置有21点高速计数器C235-C255，每个高速计数器都规定了其功能和使用的输入点，其中C235-C245的11个功能为一相1计数输入，即一个计数器占用一个高速计数输入点，可由特殊辅助继电器M8ΔΔΔ的状态决定是增序或减序计数，C246-C250的5个功能为一相2计数输入，即一个计数器占用2个高速计数输入点，一个增计数输入，一个减计数输入；C251-C255的5个功能为2相2计数输入，即一个计数器占用2个高速计数输入点，一个A相计数输入，一个B相计数输入；当A相超前B相时增计数，当B相超前A相时则减计数。本系统采用C251高速计数，由PLC的X0和X1分别采样编码器的A、B两相脉冲。

6 系统运行的调试

如工件在传送带上要求移动350.5 mm，由上述理论上的脉冲当量计算，则编码器约应发出1243个脉冲，但在实际应用时会有各种的误差，如传送带主轴的测量误差，传送带的张度及安装偏差等，所以必须采用现场脉冲当量测试的方法对理论计算予以修正，可多次实测工件移动距离和高速计数脉冲数，计数出实测脉冲当量，求取均值。

在现场安装调试过程中，需仔细调整电动机与主动轴之间联动轴的同心度，同时调节张紧度，以电机输入频率为1 Hz时可启动为宜，两边应平衡调节，避免皮带运行跑偏。

7 结语

本系统应用PLC通过变频器对三相异步电机实现变频调速，并采用旋转编码器将旋转角度和传送距离对PLC进行反馈，从而实现了位移的精确定位。

参考文献

[1] 郁汉琪，盛党红.电气控制与可编程控制器[M].东南大学出版社，2003.

[2] 张同苏，徐月花.自动生产线安装与调试[M].中国铁道出版社，2010.

[3] 郁汉琪，郭健.可编程控制器原理及应用[M].中国电力出版社，2004.endprint