PLC运动控制系统的组成简介

1.PLC运动控制系统的控制目标

PLC运动控制系统的控制目标一般为位置、速度、加速度和力矩控制等。

位置控制系统是将某负载从某一确定的空间位置按照一定的运动轨迹移动到另一确定的空间位置。如伺服或步进控制的机械手系统，机器人控制系统等。

速度和加速度控制是使负载按某一确定的速度曲线进行运动。如数控加工系统、激光雕刻机等。

转矩控制系统则是通过转矩的反馈来维持的恒定或遵守某一规律的变化。如轧钢机、造纸机和传送带的张力控制等。

2.PLC运动控制系统的组成

图11-1所示为典型PLC运动控制系统组成结构框图，各部分作用如图11-2所示。

图11-1 典型PLC运动控制系统组成结构框图

（1）工作人员操作站

工业现场操作的工作人员使用的设备就称为工作人员操作站，它提供运动控制系统与工作人员的完整接口，通过工作人员的操作来实现各种控制调节和管理功能。

操作站一般采用PC装载组态元件，工作人员通过专用键盘、鼠标进行各种操作。在小型运动控制系统中可以采用触摸屏作为工作人员操作站。

运动控制系统还可以通过工作人员操作站与企业信息网络连接，以便实现系统的网络通信控制。

（2）运动控制器

运动控制器是运动控制系统的核心，可以是专用控制器，但一般都是采用具有通信能力的智能装置，如工业控制计算机（IPC）或可编程序控制器（PLC）等。对于PLC运动控制系统，都选用PLC作为运动控制器。

图11-2 运动控制系统作用形象图

运动控制器的控制目标值是由上一级工作人员操作站提供的，在恒速系统中速度是给定的，在伺服系统中是速度与时间关系曲线，即一条运动轨迹。

运动控制器可实现控制算法，如PID算法、模糊控制算法及各类校正算法等。总之，现代运动控制器可实现各种先进的控制算法。(www.xing528.com)

PLC作为通用控制装置，以其高可靠性、功能强、体积小、可以在线修改程序、易于与计算机连接、能对模拟量进行控制等优异性能，在工业控制领域中得到大量运用，现已成为现代工业三大支柱之首。PLC已在流水线、包装线、机械手、立体仓库等设备上得到广泛的应用，这些应用都属于运动控制的范畴。

（3）驱动器

驱动器是指将运动控制器输出的小信号放大以驱动伺服机构的部件。对于不同类别的伺服机构，驱动器有电动、液动、气动等类型。

采用PLC作为运动控制器系统，通常驱动器为变频器、伺服电动机驱动器、步进电动机环形驱动器等。

在一些对速度、位置的控制精度要求不高的场合，在运动控制系统中可以采用变频器控制交流电动机的方式来完成。在交流异步电动机的诸多调速方法中，变频调速的性能最好，调速范围大、静态稳定性好、运行效率高。采用通用变频器对交流异步电动机进行调速控制，由于使用方便、可靠性高，并且经济效益显著，这种方案逐步得到推广。

步进驱动系统（步进电动机与驱动器组成的系统）主要应用在开环、控制精度及响应要求不太高的运动控制场合，如程序控制系统、数字控制系统等。步进驱动系统的运行性能是电动机与驱动器两者配合所反映出来的综合效果。效率、可靠性和驱动能力是步进电动机驱动电路所要解决的三大问题，三者之间彼此制约。驱动能力随电源电压的升高而增大，但电路的功耗一般也相应增大，使效率降低。可靠性则随着驱动电路的功耗增大、温度升高而降低。恒流驱动技术采用了能量反馈，提高了电源效率，改善了电动机矩频特性，国内外步进电动机驱动器大多都采用这种驱动方式。

交流伺服电动机的驱动装置采用了全数字式控制技术后，使得驱动装置硬件结构简单，参数调整方便，输出的一致性、可靠性增加。同时，驱动装置可以集成复杂的电动机控制算法和智能控制功能，如增益自动调整、网络通信等功能，大大提高了交流伺服系统的适用范围。

（4）伺服机构

伺服机构是PLC运动控制系统的重要组成部分，选择运动控制系统的伺服机构首先应该是在整个工作过程中都能拖动负载，其次是选择伺服机构必须考虑它的性能对控制系统的影响，最后要考虑的就是在低速运行时必须平衡而且扭矩脉动变化小，在高速运行时振动噪声应该小。

运动控制系统伺服机构按工作介质可分为电动伺服机构、液压伺服机构和气动伺服机构。在中、小功率的运动控制系统中，电动伺服机构的应用比较广泛。伺服电动机具有：高可靠性、高精度、快速性、经济性、环境适应性强等优点。

目前控制电动机大多采用步进电动机或全数字化交流伺服电动机。

（5）检测装置

在运动控制系统中是通过传感器获取系统中的几何量和物理量的信息，再将这些信息提供给运动控制器，为实现控制策略提供依据。

运动控制系统中的测量和反馈部分的核心是传感器。以传感器为核心的检测装置向操作人员或运动控制器反映系统状况，同时也可以在闭环控制系统中反馈回路，将指定的输出量馈给运动控制器，而控制器则根据这些信息进行控制决策。运动控制系统中的传感器用于测量运动参数（如位置、速度和加速度等）和力学参数（如力和转矩等），也可以用于测量电气参数（如电压和电流等）。传感器是利用各种物理学，如电磁感应、光电效应、光栅效应、霍尔效应等，实现各物理量的检测。

运动控制系统中的传感器在采用新原理、新工艺、新材料，并与先进的电子技术结合的基础上，朝着高精度、高可靠性和高速的方向发展。没有信息反馈的控制是盲目的，而错误的信息反馈也会导致控制的失误。检测装置的测量反馈部分与电动机、驱动器、运动控制器一样，是运动控制系统的主要组成部分。准确性和实时性是控制系统对测量反馈的基本性能要求，前者在一定程度上由传感器和为核心的测量静态特性进行描述，而后者则取决于其动态特性。

（6）机械装置

机械装置是指电动机的负载，如工业系统中的风机、水泵及流体，轧机中的传送机构，轧辊和轧制中的钢材，机床中的主轴、刀架和工件，机械手和机器人的手臂，行走机构和施力对象等。机构装置作为电动机的负载，不仅包括机构系统的工作部分，如刀具和工件等也包括机敏系统中的机械传动链，如齿轮箱、传送带和滚珠丝杠等。运动控制系统中的机械装置由于其力学特性对系统施加影响，对整个运动控制系统进行分析时，机械装置是不可忽略的组成部分。