PLC-自整角机随动控制系统

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摘要：运用永磁低速同步电动机和自整角机测角位移的工作原理来实现随动系统的运行，PLC A/D工作模块的工作原理调控控制系统，通过PLC技术、伺服系统位置测量技术和机械传动技术，形成了机电一体化的实践平台。

关键词：随动系统；永磁同步低速电动机；自整角机；PLC A/D模块

中图分类号：TP275 文献标识码：A 文章编号：1674-7712 (2012) 14-0071-01

对于自整角机随动控制系统，在以往是通过机械结构传动来控制的，本项目通过机电一体化随动控制系统来改变机械位置或角度。这样的装置耗能少、工作效率高。

一、角位移随动系统的现状与总体设计原理

（一）角位移随动系统的现状

目前的角位移随动控制系统，如数控机床的刀具给进和工作台的定位控制，工业机器人的工作动作，工业自动导引的运动，国防上的雷达跟踪、导弹制导、火炮瞄准等。在现代计算机集成制导系统（CIMC）、柔性制造系统（FMS）等领域，位置随动系统得到越来越广泛的应用。位置随动系统可以分为两类，开环控制系统和闭环控制系统。相对于闭环控制系统而言，开环控制系统设计更加简单，但其在跟随精度上可能不如闭环控制系统。但对于一般系统而言开环系统足矣。

（二）总体设计原理

本设计的角位移随动系统采用开环设计，首先，通过两台同步电机分别对两根轴驱动，两根轴分别带动三相对接的两台自整角机的转子，当两根轴的转速不同时，输出交流误差电信号，并将此交流电信号经过相敏解调器转换为直流电信号，再输入PLC的AD模块，最后通过PLC驱动电机改变转速，消除转动误差，使两根轴达到同步随动的效果。

二、自整角机的选用及其工作原理

（一）自整角机介绍

自整角机是利用自整步特性将转角变为交流电压或由转角变为转角的感应式微型电机，在伺服系统中被用作测量角度的位移传感器。自整角机还可用以实现角度信号的远距离传输、变换、接收和指示。两台或多台电机通过电路的联系，使机械上互不相连的两根或多根转轴自动地保持相同的转角变化，或同步旋转。

（二）自整角机选用

基于本系统的工作特点：两台自整角机的励磁绕组没有连接在一起，一台自整角机的励磁绕组加上励磁电压，另一台自整角机的励磁绕组悬空。那么当两台自整角机的转角存在差值是，输出的是电压信号的形式，电压信号从另一台自整角机的励磁绕组输出。该电压信号与转角的差值存在一定的函数关系。可以看到，这样的连接方式下自整角机的工作特点是转角存在差值时，能输出与转角差值对应的电压信号。

（三）控制式自整角机工作原理

控制式自整角机发送机的励磁绕组由单相交流电源励磁，其三相整步绕组和自整角变压器的整步绕组对应相接。自整角机发送机的转子偏转角度，自整角机变压器偏转角度，当时输出的电压为零；当时，在输出绕组中的输出电压为,其中失调角，即发送机与自整角变压器转子的转角偏差，为最大输出电压的有效值。可见，通过控制式自整角机能够在图中右端的自整角变压器绕组中输出关于两个转子转动角偏差正弦关系的交流电信号。接着，就是将此交流电信号转换为直流电信号。

三、相敏解调器的选用及其工作原理、接线

在伺服系统中，由于系统的执行元件常采用直流伺服电机，且上述输出的为交流电信号，因此采用相敏解调器才能实施有效控制。目前，能实现此功能的相敏整流可以用二极管、三极管或集成运放等组成。根据电路的工作原理，可分为开关式、模拟乘法器式和集成芯片等几种。基于这几种的共同效果，从小巧简洁方便、经济的角度，本系统选用了由国营691厂生产的LZX1芯片，除此之外还有美国AD公司生产的AD630芯片和MOTOROLA公司生产的MC1496、MC1596等都能达到系统要求。

LZX1芯片工作原理，它由一个包括方波发生器和斩波管在内的相敏解调器和运算放大器组成。经过运算放大器输出的直流电压不仅与输入交流信号电压幅值成正比，而且与输入交流信号的相位有如下关系：，其中k为整流系数；为输入交流电压幅值；θ为输入电压与参考电压间的相位差。正如图4，即为芯片斩波器和运算放大器的输入/输出波形，很好的反应了LZX1芯片输出直流信号各时刻波形。下面介绍此芯片的使用接线。

C1为消振电容，容值一般为51pF，耐压值为63V；C2为滤波电容，一般选用容值为0.1μF、耐压160V的电容；2脚为参考电压输入端，由交流转换器绕组输入一个与输入信号电压Usr频率一致的参考电压，使得获得的直流电压Usc的正负极性与Usr的正反相位相对应；1、5脚为交流信号输入端；9、10脚为直流信号输出端；8、13端使用正负15V的直流电源供电以使芯片工作；最后，还需在输入处接入电阻以使输入电压限定在芯片工作范围内（实际为6V）。那么，经过了LZX1芯片后，即获得了PLC AD模块所需的直流电信号。

四、PLC选用及程序

在PLC的选用上，本系统选用了FX1S-14MR型号，基于其小巧功能完善的特点，并加入了AD转换模块以达到本系统模数转换的要求。

五、驱动电机

永磁低速同步电机是一种无减速齿轮装置，由电机直接得到低转速的新型同步电机。

他们具有以下特点：（1）封闭式结构，运转平稳，噪音低，工作可靠，使用寿命长，无需维护，尤其适合在某些特殊条件下使用。（2）启动逆转以及不同负载时输入电流比较稳定，可以在频繁的启动停止以及逆转的条件下工作，即使堵转一不易烧坏。（3）启动，停止和逆转的相应时间非常短，一般10-50毫秒以内，因此可以作为伺服电机使用，配合脉冲电源供电还可以作为步进电机使用。（4）若使用变频电源供电，将能获得不同的同步转速，如需更低速还可配专用齿轮箱和专用变频器。（5）具有自锁力矩，广泛应用于仪器仪表，舞台灯光，医疗机械及机床进给，阀门驱动等。

参考文献：

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[2]金钰,胡祐德,李向春编.伺服系统设计指导[M].北京理工大学出版社,2002,6.

[3]巫传专,王晓雷.控制电机及其应用[M].电子工业出版社,2008.8.

[4]秦继荣,沈安俊.现代直流伺服控制技术及其系统设计[M].机械工业出版社,1993.

[作者简介]陆晨（1991.1-），男，上海市嘉定区人，大学本科学历。