1 实验平台简介
实验平台是一个三轴伺服进给系统，该平台包括1台上位机(PC机)，1台下位机(PLC)，三台伺服电机及相应的伺服驱动器组成。其中x轴由永磁同步电机驱动，移动范围为440 mm，进给速度可达300 mm／s；y轴由直流电机驱动，移动范围为260 mm，进给速度可达75mm／s；Z轴由步进电机驱动，移动范围为140 mm，进给速度可达2.0 mm／s。PLC实现实时性要求高的位置计算及控制，利用RS232口实现计算机与PLC的通信，实现三轴的插补控制，并且利用数据采集卡采集进给伺服系统相关参数。利用LabVlEW软件在上位机制作监控界面。
2 下位机软硬件设计
运动和定位的准确性是数控设备最重要的性能指标。因此位置伺服系统的性能非常重要。为此，本文利用PLC实现高性能的位置伺服控制。PLC读取计算机发送的控制命令，自动模式下，PLC凑取三轴位置给定值，根据光电码盘信号计算出当前位移，再计算出控制值，作为伺服单元的给定值，从而控制各轴到达给定位置，然后发送到达信号给上位机。手动模式下，PLC读取三轴速度给定或位移量给定，控制三轴电机实现进给。
2.1 步进伺服系统
步进电机是数字控制电机，它将电脉冲信号转变成角位移，实质上是一种数字／角度转换器。脉冲的数量决定了步进电机的转数，脉冲的频率决定了步进电机的转速。由PLC发出脉冲给驱动器，控制驱动器驱动步进电机，从而实现进给。本文采用的两相步进电机额定电压为24V，相电流为0.3 A，齿数为200个。
2.2 直流电机伺服系统
直流电机的转速与电枢电压成正比，转矩则与电枢电流成正比。从控制角度看，直流电机伺服系统的控制是一个单输入、单输出的单变量控制系统，经典控制理论完全适用于这种系统^。本文直流电机伺服系统采用了经典的三环结构，电流环作为内环，电流调节器采用PI调节器，将电流环校正为I型系统。速度环作为中环，速度调节器采用PI调节器，将速度环校正为II型系统。位置环作为外环，位置调节器采用P调节器，使输出快速跟随给定位移。三环控制系统可以保证系统运行时的稳定性，当速度环和电流环内部的某些参数发生变化或受到扰动时，电流反馈和速度反馈能对这些干扰起到有效的抑制作用，因而对位置环的工作影响很小。本文中，直流电机采用模拟量控制，通过PLC实现位置环闭环。速度环和电流环由驱动器实现。直流伺服驱动器的主要性能指标：电源电压50 V，连续输出电流5 A，开关频率50 kHz，电流控制带宽2.5 kHz。采用的直流电机的主要性能指标：电机额定转速250 r／min，额定转矩0.65 Nm，额定电流2.8 A，额定电压48 V。直流电机光电编码器：1024P／R。
2.3 交流伺服系统
交流轴由永磁同步电机驱动。本文采用直轴电流分量i。的控制策略。id=0的控制方法优点很多，最重要的特点是输出转矩与定子电流的幅值成正比，使它的运行类似于直流电机，控制简单，实用性很强，在隐极式同步电机控制系统中应用很广泛。
经过位移P控制器的调节，输出信号作为速度给定，该信号值与检测的速度信号相比较，通过速度PI调节器的调节，输出信号作为q轴电流PI控制器的给定信号，d轴电流PI控制器的给定信号为0。通过Clarke变换和Park变换将三相定子电流转化为zd和iq，将其分别作为d轴和q轴电流调节器的反馈输入。d轴和4轴的电流PI调节器的输出电压分别为ud和uq，经过Park逆变换得到一坐标系电压ue与uβ，调制 SVPWM模块输出6路PWM信号，驱动三相桥实现电机的驱动。本文所用交流电机驱动器的主要性能指标:工作电源电压单相220 V/50 Hz，连续输出电流6 A，开关频率50 kHz，电流控制带宽2. 5kHz。永磁同步电机参数:额定转速2 000 r/min,额定转矩3 Nm，额定相电流2. 0 A,额定电压220 V 。脉冲编码器:2500P/R。
3上位机软件设计
3.1 虚拟仪器简介
虚拟仪器的概念是由美国国家仪器公司(National Instruments)最先提出的。虚拟仪器的三大主要功能是:数据采集，数据测试和分析，结果输出显示s虚拟仪器以通用计算机和配置标准数字接口的测量仪器(包括GPIB, RS-232等传统仪器以及新型的VXI模块化仪器)为基础，将仪器硬件连接到各种计算机平台上，直接利用计算机丰富的软硬件资源，将计算机硬件(处理器、存储器、显示器)和测量仪器(频率计、示波器、信号源)等硬件资源与计算机软件资源(包括数据的处理、控制、分析和表达、过程通信以及图形用户界面)有机地结合起来。
3.2 上位机程序设计
上位机程序主要完成参数设定、插补计算、回原点、显示伺服系统参数、通信、限位保护以及保存数据等功能。
上电时，在上位机界面中设置好各个参数，程序将系统初始化，在自动模式下，上位机不断地通过RS232与PLC通信，发送指令，自动完成插补进给；在手动模式下，可以人工设置各轴的进给速度或者进给位移，通过通信模块传给PLC完成进给。在进给的过程中系统会时刻检测是否限位，如果限位则停止进给并发出警报。此外，上位机程序会利用PLC和数据采集卡完成伺服系统的参数计算及采集，实现对各种电机电流、速度，以及位移的显示，配合数据保存功能可以保存这些数据以供分析之用。
上位机程序的通信模块主要实现计算机与PLC的RS232口通信。本平台使用台达DVP-12SC型PLC，支持高达11.52 kbit／s的通信速率。该PLCASCII模式通信格式。
4 实验结果
经过调试，分别对X、Y轴电机设定了10.00 mm以及20.00 mm的位移给定值，测量各轴的实际进给量。实际工作时各电机的转速及电流。
X轴和y轴的导程是3 mm，X轴编码器为2500P／R，由此可看出X轴误差基本控制在8个脉冲以内。y轴编码器为1000P／R，可见y轴误差基本控制在10个脉冲以内。对于半闭环机床系统来说，已经达到了较高的精度。由于步进电机控制较为简单，故在此不进行讨论。
5 结束语
本文利用PLC、数据采集卡和LabVIEW软件实现了位置伺服系统的高实时性控制，弥补了Windows系统下计算机控制实时性差的缺点，在此基础上研制了具有多类型伺服的三轴数控机床进给系统实验平台。该平台应用于实验教学中，为电气工程系学生提供了一个良好的实践平台，帮助学生将所学的知识与实践结合，提高了学生的动手能力，受到了学生的好评。
(审核编辑: 智汇张瑜)
