1 實驗平臺簡介

　　實驗平臺是一個三軸伺服進給系統，該平臺包括1臺上位機(PC機)，1臺下位機(PLC)，三臺伺服電機及相應的伺服驅動器組成。其中x軸由永磁同步電機驅動，移動范圍為440 mm，進給速度可達300 mm／s；y軸由直流電機驅動，移動范圍為260 mm，進給速度可達75mm／s；Z軸由步進電機驅動，移動范圍為140 mm，進給速度可達2.0 mm／s。PLC實現實時性要求高的位置計算及控制，利用RS232口實現計算機與PLC的通信，實現三軸的插補控制，并且利用數據采集卡采集進給伺服系統相關參數。利用LabVlEW軟件在上位機制作監控界面。

2 下位機軟硬件設計

　　運動和定位的準確性是數控設備最重要的性能指標。因此位置伺服系統的性能非常重要。為此，本文利用PLC實現高性能的位置伺服控制。PLC讀取計算機發送的控制命令，自動模式下，PLC湊取三軸位置給定值，根據光電碼盤信號計算出當前位移，再計算出控制值，作為伺服單元的給定值，從而控制各軸到達給定位置，然后發送到達信號給上位機。手動模式下，PLC讀取三軸速度給定或位移量給定，控制三軸電機實現進給。

　　2.1 步進伺服系統

　　步進電機是數字控制電機，它將電脈沖信號轉變成角位移，實質上是一種數字／角度轉換器。脈沖的數量決定了步進電機的轉數，脈沖的頻率決定了步進電機的轉速。由PLC發出脈沖給驅動器，控制驅動器驅動步進電機，從而實現進給。本文采用的兩相步進電機額定電壓為24V，相電流為0.3 A，齒數為200個。

2.2 直流電機伺服系統

　　直流電機的轉速與電樞電壓成正比，轉矩則與電樞電流成正比。從控制角度看，直流電機伺服系統的控制是一個單輸入、單輸出的單變量控制系統，經典控制理論完全適用于這種系統^。本文直流電機伺服系統采用了經典的三環結構，電流環作為內環，電流調節器采用PI調節器，將電流環校正為I型系統。速度環作為中環，速度調節器采用PI調節器，將速度環校正為II型系統。位置環作為外環，位置調節器采用P調節器，使輸出快速跟隨給定位移。三環控制系統可以保證系統運行時的穩定性，當速度環和電流環內部的某些參數發生變化或受到擾動時，電流反饋和速度反饋能對這些干擾起到有效的抑制作用，因而對位置環的工作影響很小。本文中，直流電機采用模擬量控制，通過PLC實現位置環閉環。速度環和電流環由驅動器實現。直流伺服驅動器的主要性能指標：電源電壓50 V，連續輸出電流5 A，開關頻率50 kHz，電流控制帶寬2.5 kHz。采用的直流電機的主要性能指標：電機額定轉速250 r／min，額定轉矩0.65 Nm，額定電流2.8 A，額定電壓48 V。直流電機光電編碼器：1024P／R。

　　2.3 交流伺服系統

　　交流軸由永磁同步電機驅動。本文采用直軸電流分量i。的控制策略。i_d=0的控制方法優點很多，最重要的特點是輸出轉矩與定子電流的幅值成正比，使它的運行類似于直流電機，控制簡單，實用性很強，在隱極式同步電機控制系統中應用很廣泛。

　　經過位移P控制器的調節，輸出信號作為速度給定，該信號值與檢測的速度信號相比較，通過速度PI調節器的調節，輸出信號作為q軸電流PI控制器的給定信號，d軸電流PI控制器的給定信號為0。通過Clarke變換和Park變換將三相定子電流轉化為z_d和i_q，將其分別作為d軸和q軸電流調節器的反饋輸入。d軸和4軸的電流PI調節器的輸出電壓分別為u_d和u_q，經過Park逆變換得到一坐標系電壓u_e與u_β，調制 SVPWM模塊輸出6路PWM信號，驅動三相橋實現電機的驅動。本文所用交流電機驅動器的主要性能指標:工作電源電壓單相220 V/50 Hz，連續輸出電流6 A，開關頻率50 kHz，電流控制帶寬2. 5kHz。永磁同步電機參數:額定轉速2 000 r/min,額定轉矩3 Nm，額定相電流2. 0 A,額定電壓220 V 。脈沖編碼器:2500P/R。

3上位機軟件設計

　　3.1 虛擬儀器簡介

　　虛擬儀器的概念是由美國國家儀器公司(National Instruments)最先提出的。虛擬儀器的三大主要功能是:數據采集，數據測試和分析，結果輸出顯示s虛擬儀器以通用計算機和配置標準數字接口的測量儀器(包括GPIB, RS-232等傳統儀器以及新型的VXI模塊化儀器)為基礎，將儀器硬件連接到各種計算機平臺上，直接利用計算機豐富的軟硬件資源，將計算機硬件(處理器、存儲器、顯示器)和測量儀器(頻率計、示波器、信號源)等硬件資源與計算機軟件資源(包括數據的處理、控制、分析和表達、過程通信以及圖形用戶界面)有機地結合起來。

　　3.2 上位機程序設計

　　上位機程序主要完成參數設定、插補計算、回原點、顯示伺服系統參數、通信、限位保護以及保存數據等功能。

　　上電時，在上位機界面中設置好各個參數，程序將系統初始化，在自動模式下，上位機不斷地通過RS232與PLC通信，發送指令，自動完成插補進給；在手動模式下，可以人工設置各軸的進給速度或者進給位移，通過通信模塊傳給PLC完成進給。在進給的過程中系統會時刻檢測是否限位，如果限位則停止進給并發出警報。此外，上位機程序會利用PLC和數據采集卡完成伺服系統的參數計算及采集，實現對各種電機電流、速度，以及位移的顯示，配合數據保存功能可以保存這些數據以供分析之用。

　　上位機程序的通信模塊主要實現計算機與PLC的RS232口通信。本平臺使用臺達DVP-12SC型PLC，支持高達11.52 kbit／s的通信速率。該PLCASCII模式通信格式。

4 實驗結果

　　經過調試，分別對X、Y軸電機設定了10.00 mm以及20.00 mm的位移給定值，測量各軸的實際進給量。實際工作時各電機的轉速及電流。

　　X軸和y軸的導程是3 mm，X軸編碼器為2500P／R，由此可看出X軸誤差基本控制在8個脈沖以內。y軸編碼器為1000P／R，可見y軸誤差基本控制在10個脈沖以內。對于半閉環機床系統來說，已經達到了較高的精度。由于步進電機控制較為簡單，故在此不進行討論。

5 結束語

　　本文利用PLC、數據采集卡和LabVIEW軟件實現了位置伺服系統的高實時性控制，彌補了Windows系統下計算機控制實時性差的缺點，在此基礎上研制了具有多類型伺服的三軸數控機床進給系統實驗平臺。該平臺應用于實驗教學中，為電氣工程系學生提供了一個良好的實踐平臺，幫助學生將所學的知識與實踐結合，提高了學生的動手能力，受到了學生的好評。