季霆，周根榮，呂勇，吳曉
　?。贤ù髮W(xué) 電氣工程學(xué)院，江蘇 南通226000）

       摘要：PLC和伺服放大器由于控制電流流向的不同可分為源型和漏型。文章分別對(duì)相同類型和不同類型的PLC—伺服放大器接口連接方式進(jìn)行研究，并利用晶體三極管9013、光電耦合器TLP5214和4N29M作為不同類型連接接口電路的主要元件，通過(guò)分析及實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證僅4N29M能夠滿足PLC—伺服放大器信號(hào)轉(zhuǎn)換的精度與頻率要求。最后以模塊式柔性自動(dòng)化生產(chǎn)線實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)分類單元為例，利用4N29M為主要元器件設(shè)計(jì)西門子CPU226PLC和三菱MRJ310A型伺服放大器之間的接口電路，經(jīng)實(shí)際使用，該方案安全可靠。
　　關(guān)鍵詞：伺服放大器；可編程控制器；接口電路；光電耦合器　　

0引言
　　柔性制造系統(tǒng)(Flexible Manufacturing System，F(xiàn)MS)是由統(tǒng)一的信息控制系統(tǒng)、物料儲(chǔ)運(yùn)系統(tǒng)和一組數(shù)字控制加工設(shè)備組成的自動(dòng)化生產(chǎn)制造系統(tǒng)。隨著科技的日益進(jìn)步，大量的工廠、企業(yè)向著自動(dòng)化、智能化的方向發(fā)展，柔性制造系統(tǒng)受到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。
　　在柔性制造系統(tǒng)中，伺服電機(jī)以其較大的過(guò)載能力以及高精度成為了系統(tǒng)首選的傳動(dòng)裝置。伺服電機(jī)的驅(qū)動(dòng)是由伺服放大器來(lái)控制的，而伺服放大器通常還需要系統(tǒng)主控制器加以控制，主控制器一般為可編程控制器（PLC）［1］。目前市面上有較多的PLC—伺服放大器成套解決方案，但是，一些企業(yè)在實(shí)際工程中由于某些原因可能無(wú)法使用這些成套解決方案，這就可能需要不同公司或者不同系列的PLC與伺服放大器進(jìn)行配合使用［2］。
　　根據(jù)PLC與伺服放大器各自控制輸出/輸入點(diǎn)電流流向的不同，可將其分為源型和漏型。所謂的源型和漏型是對(duì)于端口點(diǎn)的電流方向來(lái)考慮的，對(duì)輸出點(diǎn)而言電流流出端口點(diǎn)的就是源型，反之就是漏型，一般源型輸出點(diǎn)的公共端接電源的“+”；對(duì)輸入點(diǎn)而言電流流入端口點(diǎn)的就是源型，此時(shí)公共端統(tǒng)一流出電流，反之公共端統(tǒng)一流入電流，即為漏型，一般源型輸入點(diǎn)的公共端接電源的“-”［3］。因此，不同廠商生產(chǎn)的不同型號(hào)的PLC與伺服放大器由于源型和漏型的差別，在相互配合使用時(shí)，就不能只做簡(jiǎn)單的連接，還需要考慮相互間端口類型轉(zhuǎn)換的問(wèn)題，否則可能導(dǎo)致PLC—伺服放大器系統(tǒng)無(wú)法正常運(yùn)行，甚至設(shè)備的損壞。
　　本文針對(duì)PLC和伺服放大器由于控制電流流向的差別而產(chǎn)生的問(wèn)題，對(duì)PLC—伺服放大器接口電路進(jìn)行研究與分析，并以模塊式柔性自動(dòng)化生產(chǎn)線實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)分類單元為實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，設(shè)計(jì)基于PCL輸出控制的伺服放大器接口電路，最終對(duì)研究結(jié)果加以驗(yàn)證。
1接口電路分析
　　PLC和伺服放大器的端口由于控制電流流向的差別分為源型和漏型，它們之間的連接方式可以分為下列4種：源型輸出—源型輸入連接（源—源連接）、漏型輸出—漏型輸入連接（漏—漏連接）、源型輸出—漏型輸入連接（源—漏連接）和漏型輸出—源型輸入連接（漏—源連接）。
　　若PLC和伺服放大器同時(shí)屬于源型或者漏型（源—源連接或漏—漏連接）， PLC輸出信號(hào)的電流方向與伺服放大器輸入信號(hào)的電流方向相同，則它們之間可以直接連接。以三菱公司生產(chǎn)的PLC和伺服放大器為例，為漏—漏連接方式，如圖1所示［4］。一般來(lái)說(shuō)，相同廠商提供的成套解決方案都屬于該種類型，方案中PLC輸出信號(hào)電流值與伺服放大器輸入信號(hào)電流值大小以及方向相互匹配。但是，不同廠商的設(shè)備之間若類型相同，輸入輸出電流值不相匹配，為了防止電流過(guò)大燒壞內(nèi)部的發(fā)光二極管，連接時(shí)則需在接口處添加上拉（下拉）電阻［5］。
　

　　若PLC和伺服放大器分別屬于不同的類型（源—漏連接或漏—源連接），按照?qǐng)D1方法直接連接，將因無(wú)法形成電流回路而導(dǎo)致無(wú)法正常驅(qū)動(dòng)伺服電機(jī)。因此，為了能夠使分屬于不同類型的PLC和伺服放大器進(jìn)行連接，尤其是對(duì)于信號(hào)要求高速變化的脈沖串輸入口實(shí)現(xiàn)連接，需要對(duì)PLC—伺服放大器不同類型端口電路的轉(zhuǎn)換問(wèn)題進(jìn)行分析研究。
　　

　　接口電路原理圖文獻(xiàn)［6］對(duì)上述問(wèn)題進(jìn)行了初步研究，該文獻(xiàn)以西門子PLC和三菱伺服放大器為例，西門子PLC一般為源型輸出，即高電平有效，三菱伺服放大器為漏型，低電平有效，因此無(wú)法直接連接。文獻(xiàn)中選取NPN型晶體三極管（9013）為接口電路的主要元件，利用晶體三極管集電極電流受基極電流控制的性能，將西門子PLC的輸出信號(hào)轉(zhuǎn)換成可供三菱伺服放大器使用的輸入信號(hào)?；贜PN型晶體三極管的接口電路原理圖如圖2所示，原理圖中電流由PLC的輸出端流出，由接口電路左端三極管基極端流入，經(jīng)過(guò)兩個(gè)三極管信號(hào)由右端三極管集電極端輸出，從而實(shí)現(xiàn)源—漏連接輸入輸出信號(hào)轉(zhuǎn)換。
　　利用NPN型晶體三極管作為主要元件的接口電路雖然在理論上能夠?qū)崿F(xiàn)PLC與伺服放大器之間的信號(hào)轉(zhuǎn)換，但是，在實(shí)際應(yīng)用中由于三極管靜態(tài)工作點(diǎn)選取不合適或者輸入信號(hào)太大，會(huì)導(dǎo)致信號(hào)產(chǎn)生失真。另一方面，NPN型晶體三極管9013的放大倍數(shù)β一般在80~200，每一批次的三極管放大倍數(shù)會(huì)有所偏差，經(jīng)過(guò)兩級(jí)放大電路后，偏差會(huì)很大，調(diào)整電路中合適的參數(shù)非常麻煩。因此，文獻(xiàn)［6］所述方法不能滿足信號(hào)轉(zhuǎn)換的需求。
　　為了解決上述問(wèn)題，選擇光電耦合器作為接口電路的主要元件。目前，市面上可供選擇的光電耦合器種類繁多，TOSHIBA公司生產(chǎn)的TLP5214和FAIRCHILD公司生產(chǎn)的4N29M是兩款比較常用且符合需求的光電耦合器。
　　

　　接口電路原理圖
　　TLP5214是一款使用比較廣泛且性能優(yōu)良的固定延時(shí)光電耦合器 ［7］，而4N29M是一款6引腳DIP通用光敏達(dá)靈頓光電耦合器。利用TLP5214芯片和4N29M芯片作為主要元件的接口電路原理圖分別如圖3、圖4所示，PLC端口的輸出信號(hào)經(jīng)由一片光電耦合器轉(zhuǎn)換后由伺服放大器輸入端進(jìn)入，從而完成源—漏連接或者漏—源連接信號(hào)之間的轉(zhuǎn)換。　　在伺服電機(jī)的實(shí)際應(yīng)用中，對(duì)其精度以及轉(zhuǎn)速有一定的要求，往往需要使用PLC的高速脈沖輸出信號(hào)驅(qū)動(dòng)伺服放大器，因此，對(duì)于不同類型（源—漏連接或者漏—源連接）轉(zhuǎn)換接口電路的頻率要求比較高。為了驗(yàn)證TLP5214和4N29M是否能夠滿足高頻信號(hào)轉(zhuǎn)換的要求，需要對(duì)上述兩種方案進(jìn)行試驗(yàn)。
　　根據(jù)圖3、圖4的電路原理圖，在輸入端分別加入頻率為2 kHz、5 kHz和10 kHz的脈沖信號(hào)，利用示波器可在輸出端獲得波形，如圖5（a）、（b）、（c）分別為基于TLP5214的接口電路輸入頻率為2 kHz、5 kHz、10 kHz時(shí)所獲得的波形圖，上方為輸入波形，下方為輸出波形。由波形圖可以看出，當(dāng)輸入脈沖信號(hào)頻率在2 kHz時(shí)該接口電路信號(hào)轉(zhuǎn)換正常，當(dāng)頻率增大至5 kHz時(shí)波形已經(jīng)開(kāi)始失真，到達(dá)10 kHz時(shí)失真現(xiàn)象已經(jīng)比較嚴(yán)重。因此，以TLP5214作為主要元件的接口電路只適用于低頻（小于5 kHz）信號(hào)的轉(zhuǎn)換。
　　

　　而4N29M的帶寬可達(dá)30 kHz ［8］，圖6為基于4N29M的接口電路輸入端加脈沖頻率為20 kHz時(shí)的波形圖，由波形可得，4N29M可以完成高頻信號(hào)的轉(zhuǎn)換。因此，對(duì)于高頻信號(hào)轉(zhuǎn)換的性能，4N29M是優(yōu)于TLP5214的。
　　

2基于4N29M的接口電路設(shè)計(jì)
　　在模塊式柔性自動(dòng)化生產(chǎn)線實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)分類單元中采用了西門子CPU226PLC對(duì)三菱的MRJ310A型伺服放大器進(jìn)行控制，其中西門子CPU226PLC為源型輸出（即高電平有效），三菱的MRJ310A型伺服放大器采用集電極開(kāi)路方式輸入，屬于漏型輸入（即低電平有效）。因此，需要設(shè)計(jì)一個(gè)源—漏連接接口電路，實(shí)現(xiàn)西門子CPU226PLC和三菱MRJ310A伺服放大器之間的信號(hào)轉(zhuǎn)換。由于S7200系列PLC（除CPU224XP）高速脈沖輸出口的最高頻率為20 kHz［7］，為了實(shí)現(xiàn)柔性制造系統(tǒng)中高精度的要求，接口電路需要具有高頻轉(zhuǎn)換的功能，因此選擇4N29M作為接口電路的主要元件。
　　

　　圖7為電壓VF與電流IF的關(guān)系曲線，其中VF為4N29M芯片輸入端（ANODE端）正向輸入電壓，IF為輸入端電壓為VF時(shí)LED的正向電流，一般情況下IF取10 mA，那么由VF—IF關(guān)系曲線可得VF的值約為1.2 V。西門子PLC輸出端口5 V供電，因此西門子PLC高速脈沖輸出端輸出電壓VOUT值為5 V。按照?qǐng)D4基于4N29M的接口電路原理圖設(shè)計(jì)接口電路， 4N29M芯片1號(hào)引腳（ANODE端）與西門子PLC高速脈沖輸出端之間連接時(shí)不能直接連接，需要加入一個(gè)電阻R1，2號(hào)引腳（CATHODE端）接地。根據(jù)基爾霍夫電壓定律可得：
　　

　　由式（1）可計(jì)算出R1≈380 Ω，在常用電阻規(guī)格表中查詢相近的電阻，選擇360 Ω精度為5%的碳膜電阻作為R1。
　　西門子PLC輸出信號(hào)經(jīng)由4N29M芯片ANODE端輸入，由COLLECTOR端輸出與三菱MRJ310A伺服放大器PP、NP和PG、NG端相連。三菱MRJ310A型伺服放大器接口需用DC 24 V±10%、300 mA的電源供電，300 mA為使用所有輸入輸出信號(hào)時(shí)的值，而4N29M的集電極發(fā)射極飽和電壓VCE(SAT)典型值為1.0 V ，因此COLLECTOR端與三菱MRJ310A伺服放大器也不能直接連接，需要增加一個(gè)上拉電源VCC和上拉電阻R2。根據(jù)基爾霍夫電壓定律和電流可得：
　　

　　其中VCC取24 V，IC為集電極輸出電流取10 mA，IIN為三菱MRJ310A伺服放大器輸入電流取300 mA，帶入式（2）可計(jì)算出R2≈79 Ω。在常用電阻規(guī)格表中查詢相近的電阻，選擇75 Ω精度為5%的碳膜電阻作為R2。
　　基于4N29M的接口設(shè)計(jì)電路圖如圖8所示，電路圖中包含4片4N29M芯片，西門子PLC的Q0.0~Q0.3端口輸出信號(hào)分別接入4N29M芯片ANODE端，信號(hào)經(jīng)由4N29M芯片轉(zhuǎn)換后，由4N29M芯片COLLECTOR端分別輸出至兩個(gè)三菱伺服放大器輸入PP端和NP端。
　　根據(jù)上述設(shè)計(jì)電路圖繪制電路板，接入柔性自動(dòng)化生產(chǎn)線實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)分類單元中。在STEP7 MicroWIN軟件中編寫驗(yàn)證程序，使伺服電機(jī)做往復(fù)運(yùn)動(dòng)，從而驗(yàn)證該接口轉(zhuǎn)

換電路的穩(wěn)定性和可靠性。試驗(yàn)證明，在連續(xù)工作情況下，西門子PLC和三菱伺服放大器并沒(méi)有出現(xiàn)任何故障，因此可以說(shuō)明該接口電路模塊能夠?qū)崿F(xiàn)源型—漏型的輸入輸出信號(hào)相互轉(zhuǎn)換，且系統(tǒng)是安全可靠的。
3結(jié)束語(yǔ)
　　本文針對(duì)PLC和伺服放大器端口由于源型和漏型的差別而產(chǎn)生的問(wèn)題，對(duì)PLC—伺服放大器4種連接方式進(jìn)行了研究與分析。對(duì)于同類型PLC和伺服放大器可直接相連接，對(duì)于不同類型連接需要加入PLC—伺服放大器接口電路才能夠?qū)崿F(xiàn)信號(hào)轉(zhuǎn)換。通過(guò)對(duì)文獻(xiàn)［6］所設(shè)計(jì)的接口電路與基于TLP5214和4N29M接口電路的對(duì)比分析和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證得出，只有基于4N29M的接口電路可以滿足PLC—伺服放大器高精度、高頻率的轉(zhuǎn)換要求。最后，以模塊式柔性自動(dòng)化生產(chǎn)線實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)分類單元為例，利用4N29M為主要元器件設(shè)計(jì)西門子CPU226PLC和三菱的MRJ310A型伺服放大器之間的接口電路，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證該方案是安全可靠的。
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