伺服电机驱动中高速单脉冲隔离转换模块等效替换电路的设计

伍水梅

（广东省国防科技技师学院，广东广州 510510）

摘要：目前大多院校里配置的都是三菱系列PLC系统，但进行西门子系列的学习时需重新进行配置，增加了成本.在本文根据三菱系列和西门子系列两种PLC系统的工作原理和特点，对两种系列PLC系统对电机驱动方面进行了分析研究，设计制作出了高速单脉冲隔离转换模块的等效替换电路，实现了使用三菱系列伺服控制器替代西门子系列伺服控制器驱动伺服电机.试验表明，该等效替换电路能够满足系统的控制要求，制作和使用简单，成本低.使用该替换电路，学习者可以只购买西门子S7-200PLC-CPU，与原有的三菱伺服驱动系统配套进行研究学习，能够使设备得到最大程度的应用.

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关键词：伺服电机；西门子S7-200PLC-CPU；高速单脉冲隔离转换模块；三菱伺服控制器；等效替换电路

中图分类号：TP206 文献标识码：A 文章编号：1673-260X（2015）04-0051-03

PLC已在自动控制系统中广泛应用各种机械工业、汽车工业、钢铁工业电力工业等领域，其应用的深度和广度已经成为衡量一个国家工业自动化程度高低的标志，其对伺服电机的控制更是大家研究的一个热点[1-4].伺服电机无论是在转矩上还是速度上，都有很大的过载能力，其最大转矩可达到额定转矩的三倍，能有效克服负载的惯性力矩，是自动控制系统中的一个主要执行元件[5，6].伺服电机通过脉冲的转换进行定位，当脉冲信号为零时无自转现象，因为伺服电机拥有旋转编码器，使其本身具有脉冲产生功能，对应电机所转过的角度，它会产生对应数量的脉冲，与电机所接受到的脉冲形成一个闭环系统，从而对电机转动实现精确定位[1，6，7]，目前最先进的伺服电机精度可达0.001mm，所以伺服电机驱动在自动控制系统中应用广泛，特别是在传动领域中已占有领先地位.

伺服电机的驱动是用伺服控制器来控制的，所以要使伺服电机精确运转，必须有一个与之相匹配的伺服控制器[6，8].不同系列伺服控制器的PLC-CPU有所不同，主要是各自的输出控制电流流向不一样，不能使用S7-200PLC的CPU直接驱动三菱伺服控制器，通常需要在两者间加一个高速单脉冲隔离转换模块.但试验表明，即使采用高速单脉冲隔离转换模块，控制系统的精度也不高，而且该转换模块价格也高.因此，本文以三菱系列和西门子系列的伺服控制器PLC-CPU为研究对象，研究其驱动伺服电机时所用的高速脉冲隔离转换模块的等效替换电路，实现对伺服电机的精确控制.

1 以高速脉冲隔离转换模块组成的控制系统的分析

1.1 西门子S7-200PLC系列的CPU选型

西门子S7-200PLC系列属于小型PLC自动化系统，型号包括221、222CN、224CN、224XP、224 XPSI和226CN等系列.它有14个数字量输入，10个数字量输出，模拟电位器2个；电源电压DC24V/ AC 100-230V，输出最小电压DC20V；既可接漏型，也可接源型[8].这里说的漏型，是指输入信号由PLC内部提供，所有输入信号的一端汇总到输入公共连接端COM的输入方式，也称为“汇点输入”.而源型是指由外部提供输入信号电源或使用PLC内部给输入回路的电源，全部输入信号为“有源”信号，并独立输入PLC的输入连接形式.日系的PLC伺服控制器大多输出为NPN型，也就是低电平有效，而西门子的所有型号中除了S7-224XPSI外大都是PNP型的，即高电平有效[10].从拓展模块及输入/输出考虑，本文采用了224CN.

1.2 三菱伺服控制器选型

在本控制系统中选用三菱公司的MR-J2S- 10A1伺服控制器.该控制器主要有位置控制、速度控制、转矩控制三种模式[11].本文主要采用位置控制模式，也就是通过高速脉冲串控制电机的速度和方向，其位置控制的分辨率达到131072脉冲/转.电源采用AC200～230V，50/60Ｈz或单相AC110V，50/60Ｈz，提供的脉冲串形式可以是两路都为脉冲的形式，也可以是一路为脉冲，另一路为方向的形式，本控制系统以实现工作台的往返为主，因此选择第二种，一路为脉冲，另一路为方向的脉冲驱动方式.

1.3 高速单脉冲隔离转换模块的选型

由于S7-200PLC的224CN系列为源型输入，具PNP晶体管输出特性，而大部分的三菱PLC均属于漏型，两者在电流方向上是相反的，若直接驱动三菱伺服控制器，电机肯定不能正常运转.为解决这个问题，两者间必须加一个高速单脉冲隔离转换模块.该模块的主要功能是抗干扰，提高信号质量，保证信号正常输出；同时具有信号隔离、分配、转换功能.PLC控制设备加装该设备后，两种设备的信号得以匹配，使西门子的CPU输出信号正常传到三菱伺服控制器，对伺服电机进行准确控制.通过参数核定，最后选取高速单脉冲隔离转换模块HSZ04H，如图1所示.

1.4 控制系统的试验情况

将S7-200PLC 224CN、三菱公司的MR-J2S- 10A1伺服控制器和高速单脉冲隔离转换模块HSZ04H组成伺服控制系统，并进行伺服电机的控制试验.当将编写好的程序输入S7-200PLC- CPU，正确安装CPU224、高速单脉冲隔离转换模块、三菱伺服控制器和伺服电机间的接线，实际运行时发现高速单脉冲隔离转换模块对CPU224的输出频率有一定影响，伺服电机转速不稳定，有失真现象.当频率过高时，CPU224CN输出大量脉冲，伺服控制器出错，提示错误参数16，手动时伺服电机可正常运行，自动时卡死；将CPU清空，重新下载，现象不变，检查电机接线，参数重新设置均不能妥善解决.考虑该故障可能与高速单脉冲隔离转换模块有关，且该模块在本控制系统中安装不便，使用过程中经常松动，造成系统运行不顺.因此，需研制一个能替换高速单脉冲隔离转换模块并且能解决以上问题的等效电路.

2 等效电路的研制

2.1 电压、电流的取决

要实现高速单脉冲隔离转换模块的电流替换最适当的选择就是三极管.根据半导体的组成方式，晶体三极管分为NPN型和PNP型两种，主要作用包括放大、反相、开关等，NPN型的晶体三极管电流流向是从基极流入，PNP型的晶体三极管电流流向是从基极流出，集电极均为反相输出[12].

要把该两种设备放在同一控制系统中工作，必须让电流可以流通，即符合各设备的电流方向.西门子S7-200PLC-CPU 224CN为源型PNP的晶体管电流流入方式，而三菱伺服控制器为漏型PNP的电流流入方式[11].因此，要把西门子CPU224CN和三菱伺服控制器连接在一起，可以选取NPN型的晶体三极管，将上一级CPU和下一级伺服控制器的电流流向理顺.

除了要考虑电流的流向，还要考虑电路的工作电压，工作电流.本控制系统中提供的输入电压包括CPU224CN的工作电压DC24V，电流280mA，伺服电机工作电压AC110V；参考各三极管的极性，电压与电流，选取9013作为控制系统的主要元件，实现电流的反相和开关作用.9013晶体三极管为NPN型，额定电压20V，额定电流625mA.为保证晶体三极管正常工作，在各极接入适当电阻.试验测定基极电阻为110×107Ω、发射极电阻为100×103Ω、集电极电阻为20Ω时，波形失真消除，输出稳定，用在实际电路中，伺服电机工作正常，达到替换的要求目的，其电路如图2所示.

2.2 电机运行方向的实现

控制电路制作过程中，还有一个问题就是伺服电机的换向问题，原来使用高速单脉冲隔离转换模块时程序中设定方向由CPU224CN的Q0.1口输出，改变程序中M20.0的值可改变电机的转向，使用自制电路后为方便方向的改变将程序中的M20.0改成开关I1.0，开关接通时Q0.1得到的是高电平，电机正转，开关断开时Q0.1得到的是低电平，电机反转，无需在程序中更改M20.0的值，方便操作（图3）.

2.3 电源和接地的设置

控制电路中由于晶体三极管V1基极与CPU224CN的输出端口Q0.0相接，所以工作电源可以与之共享，无需外接.但电路中利用了两个晶体三极管同时工作，无可靠接地则电路无法工作，所以必须从电源端引入接地，形成回路，让电路正常工作.在替代电路板上除了引出对应的输入口I1、I2让电路板接收CPU发出的信号，输出口V01、V02传递给伺服控制器输出脉冲外，就是引出相应的GND[13].

该等效电路中使用元器件都是平时常用的电子器材，价格便宜，购置方便，且大部分元件均可替代，没有太高的精度要求，如电路中使用的晶体三极管9013就可用9011、9013、9014、8050、2N5551、C1008等来替换，性能并无太大差异.

3 等效电路的伺服控制系统

以等效电路替换高速单脉冲隔离转换模块HSZ04H，组成新的伺服控制系统，如图4所示.试验表明，该伺服控制系统完全可以实现高速单脉冲隔离转换模块的应用要求，而且消除了采用高速单脉冲隔离转换模块时的失真等故障现象，能够满足伺服控制的精度要求.