基于PLC输出控制的伺服放大器接口电路研究与设计*

季　霆，周根荣，吕　勇，吴　晓

(南通大学 电气工程学院，江苏 南通226000)



基于PLC输出控制的伺服放大器接口电路研究与设计*

季霆，周根荣，吕勇，吴晓

(南通大学 电气工程学院，江苏 南通226000)

PLC和伺服放大器由于控制电流流向的不同可分为源型和漏型。文章分别对相同类型和不同类型的PLC—伺服放大器接口连接方式进行研究，并利用晶体三极管9013、光电耦合器TLP521-4和4N29M作为不同类型连接接口电路的主要元件，通过分析及实验验证仅4N29M能够满足PLC—伺服放大器信号转换的精度与频率要求。最后以模块式柔性自动化生产线实训系统分类单元为例，利用4N29M为主要元器件设计西门子CPU226PLC和三菱MR-J3-10A型伺服放大器之间的接口电路，经实际使用，该方案安全可靠。

伺服放大器；可编程控制器；接口电路；光电耦合器

引用格式：季霆，周根荣，吕勇，等. 基于PLC输出控制的伺服放大器接口电路研究与设计[J].微型机与应用，2016,35(17)：7-10.

0　引言

柔性制造系统(Flexible Manufacturing System，FMS)是由统一的信息控制系统、物料储运系统和一组数字控制加工设备组成的自动化生产制造系统。随着科技的日益进步，大量的工厂、企业向着自动化、智能化的方向发展，柔性制造系统受到越来越广泛的应用。

在柔性制造系统中，伺服电机以其较大的过载能力以及高精度成为了系统首选的传动装置。伺服电机的驱动是由伺服放大器来控制的，而伺服放大器通常还需要系统主控制器加以控制，主控制器一般为可编程控制器(PLC)[1]。目前市面上有较多的PLC—伺服放大器成套解决方案，但是，一些企业在实际工程中由于某些原因可能无法使用这些成套解决方案，这就可能需要不同公司或者不同系列的PLC与伺服放大器进行配合使用[2]。

根据PLC与伺服放大器各自控制输出/输入点电流流向的不同，可将其分为源型和漏型。所谓的源型和漏型是对于端口点的电流方向来考虑的，对输出点而言电流流出端口点的就是源型，反之就是漏型，一般源型输出点的公共端接电源的“+”；对输入点而言电流流入端口点的就是源型，此时公共端统一流出电流，反之公共端统一流入电流，即为漏型，一般源型输入点的公共端接电源的“-”[3]。因此，不同厂商生产的不同型号的PLC与伺服放大器由于源型和漏型的差别，在相互配合使用时，就不能只做简单的连接，还需要考虑相互间端口类型转换的问题，否则可能导致PLC—伺服放大器系统无法正常运行，甚至设备的损坏。

本文针对PLC和伺服放大器由于控制电流流向的差别而产生的问题，对PLC—伺服放大器接口电路进行研究与分析，并以模块式柔性自动化生产线实训系统分类单元为实验平台，设计基于PCL输出控制的伺服放大器接口电路，最终对研究结果加以验证。

1　接口电路分析

PLC和伺服放大器的端口由于控制电流流向的差别分为源型和漏型，它们之间的连接方式可以分为下列4种：源型输出—源型输入连接(源—源连接)、漏型输出—漏型输入连接(漏—漏连接)、源型输出—漏型输入连接(源—漏连接)和漏型输出—源型输入连接(漏—源连接)。

若PLC和伺服放大器同时属于源型或者漏型(源—源连接或漏—漏连接)， PLC输出信号的电流方向与伺服放大器输入信号的电流方向相同，则它们之间可以直接连接。以三菱公司生产的PLC和伺服放大器为例，为漏—漏连接方式，如图1所示[4]。一般来说，相同厂商提供的成套解决方案都属于该种类型，方案中PLC输出信号电流值与伺服放大器输入信号电流值大小以及方向相互匹配。但是，不同厂商的设备之间若类型相同，输入输出电流值不相匹配，为了防止电流过大烧坏内部的发光二极管，连接时则需在接口处添加上拉(下拉)电阻[5]。

图1　三菱PLC—伺服放大器连接图

若PLC和伺服放大器分别属于不同的类型(源—漏连接或漏—源连接)，按照图1方法直接连接，将因无法形成电流回路而导致无法正常驱动伺服电机。因此，为了能够使分属于不同类型的PLC和伺服放大器进行连接，尤其是对于信号要求高速变化的脉冲串输入口实现连接，需要对PLC—伺服放大器不同类型端口电路的转换问题进行分析研究。

图2　基于晶体三极管的接口电路原理图

文献[6]对上述问题进行了初步研究，该文献以西门子PLC和三菱伺服放大器为例，西门子PLC一般为源型输出，即高电平有效，三菱伺服放大器为漏型，低电平有效，因此无法直接连接。文献中选取NPN型晶体三极管(9013)为接口电路的主要元件，利用晶体三极管集电极电流受基极电流控制的性能，将西门子PLC的输出信号转换成可供三菱伺服放大器使用的输入信号。基于NPN型晶体三极管的接口电路原理图如图2所示，原理图中电流由PLC的输出端流出，由接口电路左端三极管基极端流入，经过两个三极管信号由右端三极管集电极端输出，从而实现源—漏连接输入输出信号转换。

利用NPN型晶体三极管作为主要元件的接口电路虽然在理论上能够实现PLC与伺服放大器之间的信号转换，但是，在实际应用中由于三极管静态工作点选取不合适或者输入信号太大，会导致信号产生失真。另一方面，NPN型晶体三极管9013的放大倍数β一般在80～200，每一批次的三极管放大倍数会有所偏差，经过两级放大电路后，偏差会很大，调整电路中合适的参数非常麻烦。因此，文献[6]所述方法不能满足信号转换的需求。

为了解决上述问题，选择光电耦合器作为接口电路的主要元件。目前，市面上可供选择的光电耦合器种类繁多，TOSHIBA公司生产的TLP521-4和FAIRCHILD公司生产的4N29M是两款比较常用且符合需求的光电耦合器。

图3　基于TLP521-4的接口电路原理图

TLP521-4是一款使用比较广泛且性能优良的固定延时光电耦合器[7]，而4N29M是一款6引脚DIP通用光敏达灵顿光电耦合器。利用TLP521-4芯片和4N29M芯片作为主要元件的接口电路原理图分别如图3、图4所示，PLC端口的输出信号经由一片光电耦合器转换后由伺服放大器输入端进入，从而完成源—漏连接或者漏—源连接信号之间的转换。

图4　基于4N29M的接口电路原理图

在伺服电机的实际应用中，对其精度以及转速有一定的要求，往往需要使用PLC的高速脉冲输出信号驱动伺服放大器，因此，对于不同类型(源—漏连接或者漏—源连接)转换接口电路的频率要求比较高。为了验证TLP521-4和4N29M是否能够满足高频信号转换的要求，需要对上述两种方案进行试验。

根据图3、图4的电路原理图，在输入端分别加入频率为2 kHz、5 kHz和10 kHz的脉冲信号，利用示波器可在输出端获得波形，如图5(a)、(b)、(c)分别为基于TLP521-4的接口电路输入频率为2 kHz、5 kHz、10 kHz时所获得的波形图，上方为输入波形，下方为输出波形。由波形图可以看出，当输入脉冲信号频率在2 kHz时该接口电路信号转换正常，当频率增大至5 kHz时波形已经开始失真，到达10 kHz时失真现象已经比较严重。因此，以TLP521-4作为主要元件的接口电路只适用于低频(小于5 kHz)信号的转换。

图5　基于TLP521-4接口电路的输入输出波形图

而4N29M的带宽可达30 kHz[8]，图6为基于4N29M的接口电路输入端加脉冲频率为20 kHz时的波形图，由波形可得，4N29M可以完成高频信号的转换。因此，对于高频信号转换的性能，4N29M是优于TLP521-4的。

图6　基于4N29M接口电路的输入输出波形图

2　基于4N29M的接口电路设计

在模块式柔性自动化生产线实训系统分类单元中采用了西门子CPU226PLC对三菱的MR-J3-10A型伺服放大器进行控制，其中西门子CPU226PLC为源型输出(即高电平有效)，三菱的MR-J3-10A型伺服放大器采用集电极开路方式输入，属于漏型输入(即低电平有效)。因此，需要设计一个源—漏连接接口电路，实现西门子CPU226PLC和三菱MR-J3-10A伺服放大器之间的信号转换。由于S7-200系列PLC(除CPU224XP)高速脉冲输出口的最高频率为20 kHz[7]，为了实现柔性制造系统中高精度的要求，接口电路需要具有高频转换的功能，因此选择4N29M作为接口电路的主要元件。

图7　4N29M电压VF与电流IF关系曲线

图7为电压VF与电流IF的关系曲线，其中VF为4N29M芯片输入端(ANODE端)正向输入电压，IF为输入端电压为VF时LED的正向电流，一般情况下IF取10 mA，那么由VF—IF关系曲线可得VF的值约为1.2 V。西门子PLC输出端口5 V供电，因此西门子PLC高速脉冲输出端输出电压VOUT值为5 V。按照图4基于4N29M的接口电路原理图设计接口电路， 4N29M芯片1号引脚(ANODE端)与西门子PLC高速脉冲输出端之间连接时不能直接连接，需要加入一个电阻R1，2号引脚(CATHODE端)接地。根据基尔霍夫电压定律可得：

VF+R1×IF=VOUT

(1)

由式(1)可计算出R1≈380 Ω，在常用电阻规格表中查询相近的电阻，选择360 Ω精度为5%的碳膜电阻作为R1。

西门子PLC输出信号经由4N29M芯片ANODE端输入，由COLLECTOR端输出与三菱MR-J3-10A伺服放大器PP、NP和PG、NG端相连。三菱MR-J3-10A型伺服放大器接口需用DC 24 V±10%、300 mA的电源供电，300 mA为使用所有输入输出信号时的值，而4N29M的集电极-发射极饱和电压VCE(SAT)典型值为1.0 V ，因此COLLECTOR端与三菱MR-J3-10A伺服放大器也不能直接连接，需要增加一个上拉电源VCC和上拉电阻R2。根据基尔霍夫电压定律和电流可得：

(2)

其中VCC取24 V，IC为集电极输出电流取10 mA，IIN为三菱MR-J3-10A伺服放大器输入电流取300 mA，带入式(2)可计算出R2≈79 Ω。在常用电阻规格表中查询相近的电阻，选择75 Ω精度为5%的碳膜电阻作为R2。

基于4N29M的接口设计电路图如图8所示，电路图中包含4片4N29M芯片，西门子PLC的Q0.0～Q0.3端口输出信号分别接入4N29M芯片ANODE端，信号经由4N29M芯片转换后，由4N29M芯片COLLECTOR端分别输出至两个三菱伺服放大器输入PP端和NP端。

根据上述设计电路图绘制电路板，接入柔性自动化生产线实训系统分类单元中。在STEP7 MicroWIN软件中编写验证程序，使伺服电机做往复运动，从而验证该接口转换电路的稳定性和可靠性。试验证明，在连续工作情况下，西门子PLC和三菱伺服放大器并没有出现任何故障，因此可以说明该接口电路模块能够实现源型—漏型的输入输出信号相互转换，且系统是安全可靠的。

图8　基于4N29M的接口电路图

3　结束语

本文针对PLC和伺服放大器端口由于源型和漏型的差别而产生的问题，对PLC—伺服放大器4种连接方式进行了研究与分析。对于同类型PLC和伺服放大器可直接相连接，对于不同类型连接需要加入PLC—伺服放大器接口电路才能够实现信号转换。通过对文献[6]所设计的接口电路与基于TLP521-4和4N29M接口电路的对比分析和实验验证得出，只有基于4N29M的接口电路可以满足PLC—伺服放大器高精度、高频率的转换要求。最后，以模块式柔性自动化生产线实训系统分类单元为例，利用4N29M为主要元器件设计西门子CPU226PLC和三菱的MR-J3-10A型伺服放大器之间的接口电路，并通过实验验证该方案是安全可靠的。

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Research and design of servo amplifier interface circuit based on PLC output control

Ji Ting，Zhou Genrong，Lv Yong，Wu Xiao

(School of Electrical Engineering，Nantong University，Nantong 226000，China)

Because of the difference of control current flows, PLC and servo amplifier can be divided into source type and sink type. This paper studied on the same types and the different types of PLC-servo amplifier interface connection mode, and utilized transistor (9013) and optocoupler (TLP521-4 and 4N29M) as main components of different interface circuit. Through series of analysis and experimental verification, only 4N29M can meet the requirements of precision and frequency that signal conversion between PLC and servo amplifier. Taking classification unit in modular Flexible Manufacturing System as an example, this paper utilized 4N29M as main components to design an interface circuit which can transform signals between SIEMENS CPU226PLC and MITSUBISHI servo amplifier MR-J3-10A. Practical application confirms the project is safe and reliable.

servo amplifier；PLC；interface circuit；optocoupler

南通大学教学改革课题(2015C01)

TP23

ADOI： 10.19358/j.issn.1674- 7720.2016.17.002

2016-06-06)

季霆(1987-)，男，硕士研究生，助理实验师，主要研究方向：电气自动化，汽车电子。