基于PLC的直流伺服电机定占空比调频调速

王平，高明华，马坤，公维帅，荣伟

（1.中国石油大学 信息与控制工程学院，山东 东营 257061；2.胜利油田技术检测中心，山东 东营 257061）

基于PLC的直流伺服电机定占空比调频调速

王平1，高明华1，马坤2，公维帅1，荣伟1

（1.中国石油大学 信息与控制工程学院，山东 东营 257061；2.胜利油田技术检测中心，山东 东营 257061）

现在很多可编程控制器（PLC）中集成了高速脉冲输出功能，这为运动控制提供了方便，但是高速脉冲输出的占空比一般固定不变，这使PLC直接应用到直流伺服电机调速系统中出现了困难。选用L298N驱动芯片，充分利用PLC高速脉冲输出功能，在不增加外围器件情况下，提出定占空比调频调速的方法，并将其应用到IC卡生产线。实际应用结果表明直流伺服电机的转速与PLC脉冲输出频率成线性关系，定占空比调频能够在一定条件下实现电机的精确调速。

调频调速；定占空比；伺服电机；可编程控制器

1 引言

随着PLC技术的发展，PLC的功能明显增强。现在很多品牌、很多型号的PLC［1］中都集成了高速脉冲输出功能，这为运动控制提供了极大的方便。目前直流电机常用的调速方法是PWM调速、弱磁调速［2］等，但是一般PLC的高速脉冲输出频率在很大范围内可以变动，而占空比固定不变，对于占空比不变的高速脉冲输出来说，直接应用PWM调速、弱磁调速等方法就很难实现。现在开关器件一般开关频率都很高，集成直流电机驱动芯片开关时间也非常短，本文中选用的L298N是μs级的，还有ns级的LMD18200等芯片，这些驱动芯片的存在为定占空比调频调速的应用提供了便利。本文充分利用PLC高速脉冲输出功能，不增加外围器件，利用L298N芯片，提出一种固定占空比、通过改变输入脉冲频率实现直流伺服电机转速调节的方法。

2 定占空比调频调速原理

改变电机端电压是目前实现直流电机调速的主要方法，只要改变直流伺服电机的端电压就可以实现电机的调速［3］。如图1所示，在以PLC为控制核心的直流伺服电机控制系统中，利用驱动芯片L298N构建驱动电路，以PLC高速脉冲输出作为驱动电路输入。在保证直流伺服电机电枢电流不断续的情况下改变PLC输出脉冲频率，研究脉冲频率对直流伺服电机端电压的影响。

图1 基于PLC的直流电机控制系统Fig.1 Control system for DC motor based on PLC

利用L298N驱动直流伺服电机，为了提高L298N的驱动电流，将两路输入、输出并联使用，若要实现电机的正反转，将图1中的1，2端短接，即可实现电机M1的正反转。为了实现电机的速度可调，在输入端采用高速脉冲输入。现以直流伺服电机M1的速度控制为例分析。

假设输入脉冲周期分别为T1，T2，T3，占空比ρ为1／2，脉冲高低电平为TTL电平，理想条件下M1的端电压波形u（t）见图2。根据图2可知，电机M1端电压u（t）在1个周期内的平均值，即电机的端电压Ud在不同脉冲周期下均为下式的值，

无论脉冲频率如何改变，均不会改变直流伺服电机的端电压Ud。

图2 理想情况下u（t）的波形Fig.2 Ideal waveforms of u（t）

在实际情况下，由于L298N内部开关延迟时间的影响，电机M1端电压u（t）的实际波形并不是严格的脉冲方波，将驱动芯片L298N的开关延迟时间考虑在内，分2种情况讨论直流伺服电机端电压Ud与PLC输出脉冲频率f的关系。

2.1 L298N开关频率大于PLC高速脉冲频率

在保证PLC输出脉冲频率大于使直流伺服电机电枢电流连续的最小频率条件下，电机M1两端电压u（t）的实际波形如图3所示。

图3 实际情况下u（t）的波形Fig.3 Actual waveforms of u（t）

当输入脉冲周期T大于L298N的开关延迟时间时，忽略L298N内部每次动作开关延迟时间上的微小差异，把L298N每次开关造成通断时间上的延迟看做相同的。在高速脉冲周期为T，脉冲频率为f时，分析电机M1上的直流电压Ud。如图4所示，L298N导通时的延迟时间在电压u（t）波形上形成的面积为Δs1，关断时的延迟时间在电压u（t）波形上形成的面积为Δs2，占空比为ρ，则得到下式：

图4 输入脉冲频率为f时电压u（t）的波形Fig.4 Waveform of u（t）when frequency of input pulse is f

在式（2）中，由于L298N的关断延迟时间大于导通延迟时间，Δs2必然大于Δs1，这就说明在考虑L298N内部开关延迟时间影响后，实际情况下驱动电路输入脉冲周期不同时，直流伺服电机M1上的端电压Ud是不相同的。在高速脉冲频率小于驱动芯片开关频率、大于保证电枢电流连续的最小频率条件下，直流伺服电机的端电压Ud与占空比ρ成正比，与输入脉冲频率f成正比，2个变量都与驱动芯片输出的端电压Ud具有线性对应关系，固定占空比调频可以改变直流端电压Ud，从而改变直流伺服电机的转速。

2.2 L298N开关频率小于PLC高速脉冲频率

此种情况下，L298N会长期处于一直导通的状态，实际电机的端电压u（t）波形如图5所示。在这种情况下固定占空比、调节输入脉冲频率仍然可以改变直流伺服电机M1的端电压Ud，从而达到调速的目的。随着脉冲频率f的不断提高，相应的电机端电压Ud会不断增大，电机的旋转速度也会不断加快，但是这种脉冲频率f的改变与端电压Ud的变化不再是线性关系，控制器只能定性地知道脉冲频率f改变引起端电压Ud改变和电机速度变化的趋势，很难定量得到脉冲频率f的变化量与电机端电压Ud变化量、电机旋转速度变化量之间的具体对应关系。所以当PLC输出的脉冲周期T小于驱动芯片L298N的开关延迟时间时，定占空比调频调速只适合应用于直流伺服电机的定性调速，不能用于电机速度的精确控制。

图5 脉冲频率大于开关时间时u（t）的波形Fig.5 Waveforms of u（t）when pulse frequency is higher than the switching time

3 在IC卡生产线上的实际应用

IC卡生产线是由入卡、写磁、翻转、烫金、凸凹字、出卡等多个模块组合而成的生产线，其中每个模块均采用FP∑型号的PLC进行集成控制。IC卡生产线上很多小型传输电机因走卡数量、不同模块工作速度及机械结构的不同，需要在3 000～5 000r／min高速范围内进行调速。由于过多的外围电路不利于模块集成和生产线的稳定，定占空比调频调速又可以减少外围器件和芯片，利用松下FP∑型号PLC的高速脉冲输出功能，使用F172指令为L298N的输入端提供高速脉冲，就可以直接控制IC卡生产线上小型直流伺服电机的运动速度，这使IC卡生产线上小型高速直流伺服电机的控制变得非常方便。

3.1 FP∑PLC高速脉冲输出功能及F172指令简介

FP∑PLC配备标准的高速脉冲输出功能，脉冲输出频率单路时可达100kHz，双路时可达60kHz；可使用 Pulse／Sign输出方式或 CW／CCW输出方式进行高速脉冲的输出。PLC通过高速脉冲输出功能可以轻松实现步进电机、直流伺服电机等电机的控制。

F172［4］指令是FP∑PLC中可设定目标值的JOG运行指令。该指令通过数据表设定高速脉冲输出的控制代码（含频率范围、输出方式等）、脉冲频率和输出通道。F172指令的应用如图6所示，执行图中的数据表程序后，当XB为ON时，PLC就会从Y0输出300Hz的脉冲。

图6 F172指令使用范例Fig.6 Example of command F172

3.2 PLC输出脉冲频率f的选取

在实际应用中，为了保证PLC输出脉冲频率与直流伺服电机端电压的线性对应关系，脉冲频率的选取要估算驱动芯片L298N的开关频率。根据L298N输入电流上升、下降及开关延迟时间［5］可知L298N开关时间一般为

考虑二极管续流等其它因素的影响，实际使用时将总的开关时间选为

若要求电机能够正反转，还需要考虑L298N的电流换向频率，一般换向频率为25kHz；同时为了保证直流伺服电机电枢电流不出现断续，PLC脉冲输出频率要大于电枢电流断续的下限，经测定选择的带减速箱的PITTMAN 8222系列直流电机的下限为20Hz。

综合上述多方面的考虑，PLC输出的脉冲频率f应该满足：

3.3 具体应用

取L298N的电源为28.14V，即Us＝28.14 V，占空比取ρ＝1／2，所使用的直流伺服电机额定转速为5 420r／min，额定电压为24V，电枢电阻基本为0；减速箱型号为PITTMAN G35A，减速比为19.5∶1。在20Hz和20kHz之间选择PLC输出的脉冲频率，由于电机转速不易测量，在不同频率下测得L298N的输出端电压，即电机M1的端电压Ud，并计算出相对应的转速，得到表1。

表1 不同频率下的电机端电压和转速Tab.1 Voltage and speed of DC motor at different frequency

利用Matlab曲线拟合工具箱，将上述Ud和f的数据进行曲线拟合得到图7，拟合方程选为

其中，自变量为f，因变量为Ud，由前面的理论推导可知，此处的a＝（Δs1-Δs2）Us，c＝ρUs，也就是说在电源电压固定的情况下，占空比ρ只会改变曲线的截距，与曲线的斜率无关。图7所示的曲线是ρ＝1／2时的端电压U与驱动电路输入脉冲频率f的对应关系，得到拟合方程为

从图7及得到的式（7）可以看出：L298N输出端连接的电机M1端电压Ud与PLC的输出脉冲频率f具有严格的线性对应关系，随着脉冲频率f的增加，端电压Ud是线性增加的，从而带动直流伺服电机的转速线性增大；当PLC的脉冲输出频率在50Hz～15kHz变化时，IC卡生产线上的小型直流伺服电机转速在3 188.83～5 706.87r／min间变化，满足生产线上小型传输电机的工作调速需求范围3 000～5 000r／min，并且减少了常规PWM调速所需外加的器件。

图7 电压U与脉冲频率f的对应关系Fig.7 The contrast relation between voltage U and pulse frequency f

4 结论

定占空比调频调速由于考虑驱动芯片的开关频率，使PLC的高速脉冲功能在直流伺服电机调速系统中得到充分利用，并保留了PWM调速范围宽、可实现均匀无极调速的优点；在FP∑PLC控制的IC卡生产线上，定占空比调频调速通过简单的F172指令，实现了生产线上小型直流伺服电机在要求的转速范围内可调，并且大大减少了生产线的外围电路，提高了集成模块的可靠性。另外，占空比保持在1／2不变，只调节脉冲频率进行调速可以实现电子器件完全导通、完全关断，能够提高电子器件的使用寿命；同时，较高的电子器件开关频率还能保证电枢电流输出波形比较光滑、谐波较少，这对电机的运行、维护也大有好处。

［1］ 王得毅.PLC抗干扰措施及分析［J］.电气传动，2010，40（4）：78-80.

［2］ 龚世缨.瞬时无功功率理论在弱磁调速中的应用［J］.电气传动，2006，36（6）：34-35，41.

［3］ 杨兴瑶.电动机调速的系统及原理［M］.第2版.北京：中国电力出版社，1995.

［4］ 松下公司.FP∑用户手册［Z］.2006.

［5］ ST Microelectronics.L298N使用说明［Z］.2000.

［6］ 陈伯时.电力拖动自动控制系统［M］.第3版.北京：机械工业出版社，2003.

［7］ 吴介一.宽调速高精度直流伺服控制系统的研究［J］.电气传动，1995，25（5）：27-30.

修改稿日期：2012-01-10

DC Servo Motor′s Speed Regulation Method of Adjusting Frequency at Fixed Duty Cycle Based on PLC

WANG Ping1，GAO Ming-hua1，MA Kun2，GONG Wei-shuai1，RONG Wei1
（1.InformationandControlEngineeringInstitute，ChinaUniversityofPetroleum，Dongying257061，Shandong，China；2.TechnologyInspectionCenter，Dongying257061，Shandong，China）

Many programmable logic controllers（PLC）have integrated high-speed pulse output functions，which provide convenience for motion control.But high-speed pulse output of fixed duty cycle caused difficulties when PLC directly applied to the PWM speed regulation of DC servo motor.Took full use of PLC′s highspeed pulse output selected the driver chip L298N，and proposed the method of adjusting the frequency to change speed at fixed duty cycle without extra external devices and applied to production line of IC card.Experimental result shows the DC servo motor speed and the pulse output frequency is linear relationship.The method can achieve the precise speed regulation of DC servo motor.

speed regulation by adjusting frequency；fixed duty cycle；servo motor；programmable logic controller

TM383

A

王平（1956-），男，教授，硕士生导师，Email：wp8393030＠126.com

2011-07-11