周庆刚
广州市新豪精密科技有限公司
摘要：本文提出了一种基于触摸屏与PLC组合的伺服电机控制系统的设计方案，在简单说明该系统总体设计思路以及控制功能实现思路的基础上，以PLC控制伺服电机的过程设计与硬件实现、伺服进给单元的设置、伺服进给单元电机以及伺服驱动装置的设置为切入点，阐述该伺服电机控制系统的具体设计方案。
关键词：触摸屏；PLC控制；伺服电机控制系统
引言：通过使用PLC进行对伺服电机的控制，能够促使整个控制过程转入自动化状态，形成智能自动控制系统，以此保证伺服电机可以在需要的情况下自动转入运行状态。在此基础上，结合对触摸屏的应用，能够实现对人机交互功能的进一步优化，并实现对系统反应时延性的有效控制。
一、基于触摸屏与PLC组合的伺服电机控制系统总体设计思路分析
（一）系统结构的总体设计
该触摸屏与PLC组合的伺服电机控制系统所包含的硬件结构主要有触摸屏、PLC、伺服控制器、伺服电机，系统构成如图1所示。其中，本系统中应用的伺服电机以及伺服控制器均选用性能更为优越的产品，设定系统各项控制指令的主要执行单元为伺服电机、伺服控制器，且其还承担着输送动力、发送多种信号、报警并记录等任务[1]。本控制系统的核心元件为PLC，必须要对着重落实对其能的维护。在选择触摸屏的过程中，要求着重关注灵敏性，即是否可以根据相关人员的触按操作迅速做出反应，保证人机交互的质量、降低操作延时性。
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（二）控制功能的实现思路
在使用PLC对伺服电机展开控制的过程中，常用的方法主要三种，即转矩控制、速度模式以及位置控制，具体如下：
（1）转矩控制，即依托PLC输出模拟量完成对电机轴对外输出转矩大小的设定。例如，在10V对应 5N.m的情况下，当PLC的输出模拟量设定为5V时，则伺服电机轴的输出则为2.5N.m[2]。（2）速度模式，即利用（PLC）输入模拟量（使伺服驱动器）调整脉冲频率达到控制伺服电机实际转动速度的效果。（3）位置控制，即参考PLC输出脉冲的频率对伺服电机转速大小的确定；利用PLC脉冲的产生数量完成对伺服电机转动角度的确定。相比于其他两种控制方法来说，这种方法对于速度、位置提出更为严格的要求，所以在当前普遍被应用在定位装置内。
二、基于触摸屏与PLC组合的伺服电机控制系统具体设计方案分析
（一）PLC控制伺服电机的过程设计与硬件实现
依托专用的数据线对触摸屏、PLC、伺服控制器、伺服电机展开连接，由此构建自动化控制系统，使PLC可以发挥系统控制器的效果。
其中，对于触摸屏而言，其主要为感应式液晶显示装置，可以实现对触头等输入讯号的接收。在实际的操作过程中，只要相关工作人员对屏幕上的图形按钮落实了触按，则屏幕上的触觉反馈系统会迅速转入运行状态，并参考提前编程的程式向各种连结装置发出驱动指令。对于触摸屏而言，其主要取代了机械式的按钮面板。对于伺服控制器而言，其主要为一种用于对伺服电机进行控制的控制器，涵盖在伺服系统主要构件的范围内，且主要应用于高精度的定位系统。在实际的运行过程中，伺服控制器一般应用利用位置、速度和力矩三种方式实现控制伺服马达的功能，实现高精度的传动系统[3]。对于伺服电机而言，其主要为在伺服系统中控制机械元件运转的发动机，属于补助马达间接变速装置的一种。在实际的运行过程中，伺服电机主要承担着控制速度的任务，提取、收集电压信号后，将这些电压信号转变为转矩和转速以驱动控制对象；对于伺服电机而言，其转子的转速普遍受到输入信号的控制，且可以根据接收信号的不同迅速、精准做出对应反应，因此在伺服电机自动控制系统中主要担任着动作执行元件的角色。
（二）伺服电机的工作原理设定
对于本系统内的伺服电机结构而言，其在实际的运行过程中主要对PLC系统所发出的指令进行执行，包括速度、位置等，这些信息会在伺服驱动电路中经过转换处理、放大处理，最终传递至伺服电动机；伺服电动机在接收到相关指令信号后，结合伺服控制器对相对应的机械传动结构展开控制，由此驱动不同部件根据设定指令运动[4]。根据这一控制原理以及过程设计方案能够了解到，在本伺服电机控制系统的设计中，PLC控制伺服电机的方法主要选取位置控制、速度模式这两种。
（三）伺服进给单元的设置
伺服进给系统主要由驱动单元、速度控制单元、位置控制单位、机械执行单元、检测及反馈单元构成，其硬件结构包含伺服驱动电路、伺服电机、机械传统构件等等。在实际的运行过程中，伺服驱动电路会对速度信息、位置信息（来源于控制系统）实施转换处理以及放大处理，并随着电路传递至机械传动构件、伺驱动装置以及动作执行构件，促使相应构件可以切实参考控制指令做出动作[5]。
主要使用闭环控制的方式落实对本伺服电机控制系统的设计，在实际的运行过程中，当在控制单元发出指令脉冲且传动到位置比较电路内的情况下，如果没有观察到执行构件的运动（未才产生位置反馈信号），则指令值促使伺服驱动电动机发生转动，并在多种传动元件（如齿轮等）的支持下驱动对应执行构件的运动[6]；检测到执行构件的运动后，采集相应运动信息并将其反馈至控制单元内，与指令信号作出对比，根据两者的差值展开控制。通常情况下，在实际动作信号与指令信号之前存在差值时，会在放大器实施信号放大后控制伺服驱动电机进入运行状态，直至两者之间的差值稳定在0时停止。这样的设计能够促使整个控制系统的运行精准程度提升，出于对减少维修概率的考量，需要着重关注系统稳定性的保护。
（四）伺服进给单元电机以及伺服驱动装置的设置
在进行对伺服进给单元电机以及伺服驱动装置的选取过程中，着重对以下几项内容展开了考量：（1）在进给速度范围内，伺服电机的额定转矩必须始终保持在高于空载进给扭矩的水平下。（2）保证伺服电机的额定转矩始终稳定在高于符合扭矩最大值的状态下[7]。（3）确保伺服电机转动惯量与进给的负荷惯量具有极为明显的匹配性。（4）设定伺服电机的最大转矩长时间保持在不低于定位加速状态下扭矩最大值的状态下。
总结：综上所述，本文利用触摸屏、PLC、伺服控制器、伺服电机这些主要硬件构建起了基于触摸屏与PLC组合的伺服电机控制系统，促使PLC可以发挥出控制伺服电机的效果。在实际的控制过程中，PLC控制伺服电机的方法主要选取位置控制、速度模式这两种，在实际动作信号与指令信号之前存在差值时，会在放大器实施信号放大后控制伺服驱动电机进入运行状态，直至两者之间的差值稳定在零时停止。
参考文献：
[1]孟庆仙.基于FPGA的伺服电机控制系统设计[J].电子技术与软件工程,2020,{4}(18):80-81.
[2]李涛,仵晨,李鑫,唐静媛,杨军良.基于PLC的伺服电机运动控制系统设计[J].软件,2021,42(03):145-148.
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[4]徐杭.基于FX3u型PLC的伺服电机控制系统优化设计[J].自动化应用,2020,{4}(11):18-20.
[5]吴璇.基于ARM的永磁同步伺服电机驱动控制系统设计[J].机电信息,2020,{4}(27):120-121.
[6]解淼,孟晓平,冉应平,王成.基于PLC的电机装配控制系统设计[J].机电技术,2021(03):7-8+40.
[7]王笑,王进.触摸屏与PLC组成的伺服电机控制系统分析[J].科技资讯,2018,16(32):89+91.