基于PLC的伺服電機(jī)控制系統(tǒng)開(kāi)發(fā)

基于PLC的伺服電機(jī)控制系統(tǒng)開(kāi)發(fā),基于,plc,伺服,電機(jī),機(jī)電,控制系統(tǒng),開(kāi)發(fā) 基 于 PLC 的 伺 服 電 機(jī) 控 制 系 統(tǒng) 開(kāi) 發(fā)摘要在 現(xiàn) 代 化 工 業(yè) 迅 速 發(fā) 展 的 今 天 ， 數(shù) 控 機(jī) 床 、 運(yùn) 動(dòng) 控 制 平 臺(tái) 等 廣 泛 采 用 PLC 進(jìn) 行 速 度 和 定 位 控 制 。 PLC 因 其 邏 輯 編 程 、 運(yùn) 算 、 數(shù) 據(jù) 傳 輸 和 處 理 等 強(qiáng) 大 功 能 取 代 了繼電器， 成為近年來(lái)最為廣泛應(yīng)用的工業(yè)自動(dòng)化控制裝置 。 其常見(jiàn)控制類(lèi)型包 含邏輯控制、 生產(chǎn)監(jiān)控、 模擬量控制和閉環(huán)調(diào)節(jié)控制， 能夠與其他系統(tǒng)連接組成 大型控制網(wǎng)絡(luò)。 伺服系統(tǒng)由功率驅(qū)動(dòng)裝置、 伺服控制器 、 反饋裝置和電動(dòng)機(jī)組成。 它能方便地控制驅(qū)動(dòng)裝置的輸出力矩、 速度和位置 。 本課題研究基于 PLC 的伺服 電機(jī)控制方法，以實(shí)現(xiàn)伺服系統(tǒng)的精確速度與位置控制。本文的研究?jī)?nèi)容和成果主要包括：1.調(diào)研了國(guó)內(nèi)外 PLC 伺服系統(tǒng)控制的應(yīng)用情況， 并研究了伺服系統(tǒng)的組成結(jié) 構(gòu)及工作原理。2.針對(duì)三菱 MR-J3 系列的伺服系統(tǒng)， 設(shè)計(jì)并制作了 PLC 控制的硬件線(xiàn)路， 通 過(guò)參數(shù)設(shè)定實(shí)現(xiàn)了位置控制與速度控制兩種工作模式。3.通 過(guò) 編 程 實(shí) 現(xiàn) 了 伺 服 系 統(tǒng) 的 速 度 、 定 位 、 原 點(diǎn) 回 歸 等 基 本 功 能 。 研 究 了 PID 控制算法以提高系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性。4.利用組態(tài)王軟件設(shè)計(jì)了伺服控制系統(tǒng)的人機(jī)界面， 通過(guò)配置正確的通信接 口實(shí)現(xiàn)了上下位機(jī)的數(shù)據(jù)傳輸，并成功進(jìn)行伺服電機(jī)的速度及位置控制。實(shí)驗(yàn)調(diào)試順利通過(guò)，證明了以上方法的有效性。關(guān)鍵詞 ： PLC，伺服系統(tǒng)，伺服電機(jī)，PID 算法， 伺服驅(qū)動(dòng)器DEVELOPMENT OF THE SERVO MOTOR CONTROL SYSTEM BASED ON PLCABSTRACTNowadays,the modern industry is developing in a high speed.CNC machine tools, motion control platform and some others used PLC widely for speed and positioning control. PLC replaces the relays because of its logic programming, operation, data transmission and processing and other powerful features. And it has become the most widely used control devices in industrial automation in recent years. The common type contains the control logic control, production monitoring, analog quantity control and closed loop regulatory control. PLC can be connected with other systems to be a large-scale control network. Otherwise,the servo system is divided into servo controller, power drives, motors and feedback devices. It can easily control the output torque, speed and the position of the driving device.This topic research the method of servo motor control based on the PLC, to accurately control the speed and position of the servo control system.The research contents and results of this paper mainly include:1.Investigated the application of PLC servo system control at home and abroad,and studied the composition structure and working principle of the servo system.2.Aimed at Mitsubishi MR-J3 series servo system,designed and manufactured the hardware line of PLC control,though the parameter setting achieved two modes of position control and speed control.3.Through the programming,realized the basic function of the servo system such as the speed control, positioning control, the return of the origin and so on.4.Using Kingview software designed the man-machine interface of the servo5.control system,realized the data transmission of the upper and lower computer by configuring the correct communication interface,and successfully carried out the speed and position control of the servo motor.The experiment results showed that the above methods were effective.Key words: PLC, servo system, servo motor, PID algorithm, servo driver目 錄1 緒論 11.1 課題的背景及研究意義 .11.2 國(guó)內(nèi)外的研究現(xiàn)狀 .21.2.1 國(guó)內(nèi)現(xiàn)狀 31.2.2 國(guó)外現(xiàn)狀 31.3 本課題研究任務(wù)及目標(biāo) .42 伺服電機(jī)的控制原理 52.1 伺服電機(jī)概述 .52.2 交流伺服電機(jī)數(shù)據(jù)模型分析 .52.2.1 交流電機(jī)原理 52.2.2 交流永磁電機(jī)矢量控制原理 62.2.3 閉環(huán)控制系統(tǒng)分析 82.3 伺服驅(qū)動(dòng)器選型及接線(xiàn) .123 PLC 伺服控制 .153.1 PLC 工作原理及通信 163.2 點(diǎn)動(dòng)及定位控制設(shè)計(jì) .183.2 速度控制及多段速度控制設(shè)計(jì) 253.3 原點(diǎn)回歸控制 .253.4 工作臺(tái)速度及位置控制 264 PID 算法分析 304.1 PID 控制原理 .314.2 PID 多種控制方式 .324.3 PLC 編程中的 PID 控制 .334.4 PID 參數(shù)的整定與仿真 345 人機(jī)界面設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)調(diào)試 375.1 組態(tài)軟件概述 375.2 PLC 與組態(tài)王通訊連接 375.3 人機(jī)界面設(shè)計(jì) .415.4 實(shí)驗(yàn)調(diào)試 425.4.1 實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì) .425.4.2 實(shí)驗(yàn)過(guò)程 .455.4.3 誤差分析及修正提出 .466 總結(jié)與展望 47參考文獻(xiàn) 48致謝 50附錄 51譯文及原文 5511 緒 論1.1 課題的背景及研究意義由于今年來(lái)工業(yè)自動(dòng)化進(jìn)程的推進(jìn)，伺服電機(jī)大量應(yīng)用于機(jī)床、印刷設(shè)備、 激光加工設(shè)備、機(jī)器人等對(duì)工藝精度、加工效率要求相對(duì)高的設(shè)備。例如在數(shù)控機(jī)床中伺服進(jìn)給系統(tǒng)是數(shù)控機(jī)床的重要的組成部分， 步進(jìn)電機(jī)和 各種伺服電機(jī)構(gòu)成伺服系統(tǒng)中的驅(qū)動(dòng)元件， 并因其高轉(zhuǎn)速、 適應(yīng)性強(qiáng)、 穩(wěn)定性等 功能使數(shù)控機(jī)床具有加工精度高、生產(chǎn)效率高、柔性高等特點(diǎn)。例如在機(jī)器人行業(yè)中， 隨著近年來(lái)機(jī)器人產(chǎn)業(yè)在國(guó)內(nèi)的需求逐步增大并帶動(dòng) 了伺服系統(tǒng)的市場(chǎng)需求。 伺服電機(jī)根據(jù)轉(zhuǎn)矩、 慣量、 精度等的不同需求廣泛運(yùn)用 在工業(yè)機(jī)器人行業(yè)中。 如步進(jìn)電機(jī)因其具有大功率質(zhì)量比和扭矩慣量比、 高啟動(dòng) 轉(zhuǎn)矩、低慣量和較寬廣且平滑的調(diào)速范圍的特點(diǎn)適用于驅(qū)動(dòng)機(jī)器人的關(guān)節(jié)；交、 直流伺服電機(jī)因其高啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩、大轉(zhuǎn)矩、低慣量特點(diǎn)適用于機(jī)器人末端執(zhí)行器。并且隨著通訊技術(shù)的發(fā)展 PLC 廣泛應(yīng)用于中小型單機(jī)電氣控制、 制造業(yè)智能 化控制、 運(yùn)動(dòng)控制及過(guò)程控制自動(dòng)化。 在許多企業(yè)生產(chǎn)線(xiàn)中的動(dòng)作控制精度都要 求很高， 而傳統(tǒng)的控制方法已不能滿(mǎn)足這一需求， PLC 擁有完善的位置控制功能， 并且相應(yīng)廠(chǎng)商生產(chǎn)了針對(duì)單軸或多軸伺服電機(jī)的位置控制模塊， 這些自動(dòng)化模塊 的組合使得 PLC 可以滿(mǎn)足任何工業(yè)需求， 極大的展示了其操作方便、 運(yùn)行快、 穩(wěn) 定 性 高 的 特 點(diǎn) 。 因 此 在 機(jī) 床 、 印 刷 設(shè) 備 、 防 止 設(shè) 備 、 激 光 加 工 設(shè) 備 、 機(jī) 器 人 這 些 由 伺 服 電 機(jī) 作 為 驅(qū) 動(dòng) 元 件 的 設(shè) 備 中 ， PLC 與 其 完 美 的 結(jié) 合 形 成 基 于 PLC 的 高 精 度伺服控制系統(tǒng)。本課題啟發(fā)于 PLC 伺服電機(jī)控制系統(tǒng)在工業(yè)領(lǐng)域中廣泛應(yīng)用， 通過(guò)調(diào)研國(guó)內(nèi) 外 PLC 伺 服 控 制 系 統(tǒng) 的 應(yīng) 用 情 況 ， 分 析 伺 服 電 機(jī) 的 工 作 原 理 ， 從 而 研 究 設(shè) 計(jì) 了 PLC 控制的硬件線(xiàn)路，并通過(guò)參數(shù)調(diào)整實(shí)現(xiàn)伺服電機(jī)速度及位置兩種控制方式。 通過(guò) PLC 編程實(shí)現(xiàn)了伺服電機(jī)進(jìn)行精確的正轉(zhuǎn)反轉(zhuǎn)以及速度及位置控制， 并應(yīng)用 到實(shí)際工業(yè)案例工作臺(tái)的移動(dòng)速度及位置控制中。 為提高系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性研 究了 PID 算法并結(jié)合到實(shí)驗(yàn)中，最終實(shí)驗(yàn)聯(lián)調(diào)設(shè)計(jì)方案分析結(jié)果及進(jìn)行改進(jìn)。21.2 國(guó) 內(nèi) 外 的 研 究 現(xiàn) 狀1.2.1 國(guó)內(nèi)現(xiàn)狀 沈陽(yáng)理工大學(xué)機(jī)械電子工程陳白寧 、 王瑜等人研究了在鋼管切割生產(chǎn)線(xiàn)中的 冷 切 割 設(shè) 備 控 制 系 統(tǒng) ， 并 設(shè) 計(jì) 新 系 統(tǒng) 。 系 統(tǒng) 采 用 S7-200PLC 作 為 控 制 核 心 、 安川系列交流伺服電機(jī)作為驅(qū)動(dòng)器并結(jié)合觸摸屏形成人機(jī)界面方便控制。 經(jīng)過(guò)實(shí) 驗(yàn)調(diào)試該系統(tǒng)自動(dòng)化程度十分高， 穩(wěn)定性高， 鋼管的切削質(zhì)量較高， 并且鋸片的 使 用 壽 命 長(zhǎng) [1]。2013 年 南 京 師 范 大 學(xué) 電 氣 工 程 鞠 勇 等 人 基 于 江 蘇 某 集 團(tuán) 有 限 公 司 對(duì) 市 場(chǎng) 需 求 而 開(kāi) 發(fā) 的 軸 承 壓 入 機(jī) 項(xiàng) 目 。 采 用 基 于 PLC 的 伺 服 運(yùn) 動(dòng) 系 統(tǒng) 來(lái) 控 制 軸 承 壓 入 ， 并結(jié)合軸承壓入機(jī)的機(jī)械結(jié)構(gòu)與工作的特點(diǎn),設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了 PLC 伺服控制系統(tǒng)的精確定位。操作方式分為手動(dòng)和自動(dòng)兩種，通過(guò)實(shí)際操作發(fā)現(xiàn)使用效果良好,達(dá)到 了 設(shè) 計(jì) 提 出 的 要 求 。 最 終 結(jié) 果 表 明 該 精 確 定 位 系 統(tǒng) 具 有 較 高 的 精 確 性 [2]。2010 年 廣 西 師 范 大 學(xué) 碩 士 羅 曉 曙 等 人 研 究 了 從 光 纖 連 接 器 插 針 的 高 精 度 研 磨需求出發(fā)， 通過(guò)和某臺(tái)資光纖插針生產(chǎn)企業(yè)溝通了解后， 一起設(shè)計(jì)研發(fā)了一套 新的光纖連接器研磨機(jī)伺服控制系統(tǒng)。 主要研究了伺服系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu)和工作原 理 、 光 纖 連 接 器 研 磨 機(jī) 操 作 臺(tái) X 軸 、 Y 軸 、 A 軸 的 運(yùn) 動(dòng) 控 制 方 式 、 完 成 了 對(duì) 研 磨機(jī)的送料系統(tǒng)、 氣動(dòng)控制系統(tǒng)和觸摸屏人機(jī)界面的設(shè)計(jì)。 整機(jī)進(jìn)行編程采用三 菱 FX2N 系 列 ,實(shí) 現(xiàn) 了 光 纖 連 接 器 插 針 研 磨 的 全 自 動(dòng) 控 制 。 通 過(guò) 實(shí) 際 應(yīng) 用 證 明 了 研 發(fā) 的 樣 機(jī) 運(yùn) 行 穩(wěn) 定 并 且 能 夠 滿(mǎn) 足 產(chǎn) 品 各 項(xiàng) 技 術(shù) 指 標(biāo) 要 求 [3]。目前,我國(guó)鋼軌焊接一般采用閃光焊,然而焊接后必定會(huì)在焊接處留下一段焊 瘤 。 因 此 為 了 滿(mǎn) 足 對(duì) 鋼 軌 平 直 度 的 要 求 ， 2013 年 西 南 交 通 大 學(xué) 碩 士 唐 茂 盛 在 導(dǎo) 師龔邦命的指導(dǎo)下， 對(duì)機(jī)床整機(jī)重新設(shè)計(jì)并采用 MR-J3-350A 伺服放大器、 Q02H 高性能 PLC 和 QD75M4 定位模塊的組成，實(shí)現(xiàn)了對(duì)機(jī)床垂直升降機(jī)構(gòu)的控制， 并 能 使 鋼 軌 打 磨 機(jī) 床 高 效 穩(wěn) 定 [4]。2014 年 大 連 理 工 大 學(xué) 碩 士 婁 宇 翔 在 導(dǎo) 師 韓 敏 的 指 導(dǎo) 下 對(duì) 電 子 凸 輪 進(jìn) 行 分 析 與研究,總結(jié)出電子凸輪設(shè)計(jì)的一般方法。通過(guò)研究機(jī)械凸輪的定義和應(yīng)用,進(jìn)而 分 析 了 電 子 凸 輪 的 定 義 和 實(shí) 現(xiàn) 應(yīng) 用 方 面 的 案 例 ,并 總 結(jié) 出 電 子 凸 輪 設(shè) 計(jì) 的 方 法 。 通 過(guò) 可 編 程 控 制 器 PLC 結(jié) 合 伺 服 系 統(tǒng) 實(shí) 現(xiàn) 了 電 子 凸 輪 功 能 的 目 標(biāo) ， 至 此 為 后 續(xù) 的 電 子 凸 輪 應(yīng) 用 的 研 究 設(shè) 計(jì) 起 到 投 石 問(wèn) 路 的 作 用 [5]。32008 年蘭州理工大學(xué)羅生梅、趙學(xué)研究和開(kāi)發(fā)了基于 PLC 的全自動(dòng)紙紗復(fù) 合制袋機(jī)生產(chǎn)線(xiàn)。 最終設(shè)計(jì)并改進(jìn)了剪切刀的結(jié)構(gòu)和傳動(dòng)路線(xiàn)。 傳動(dòng)路線(xiàn)由伺服 電機(jī)單獨(dú)提供動(dòng)力。而整體電路通過(guò)結(jié)合 PLC 與位置控制模塊,實(shí)現(xiàn)了精確控制 剪切刀速度與走袋速度。整個(gè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)完美結(jié)合了可編程控制器(PLC)、變頻 器、 編碼器和伺服驅(qū)動(dòng)等控制部件。 解決提出的問(wèn)題實(shí)現(xiàn)了紙紗復(fù)合制袋工藝的 自 動(dòng) 化 生 產(chǎn) ,并 進(jìn) 一 步 完 善 了 原 制 袋 機(jī) 的 使 用 中 存 在 的 問(wèn) 題 和 不 足 [6]。吳 晨 曦 、 蔣 嶸 提 出 了 PLC-伺 服 系 統(tǒng) 進(jìn) 行 位 置 控 制 的 結(jié) 構(gòu) 原 理 ,分 析 了 各 環(huán) 節(jié) 的作用。 并通 過(guò) 以?xún)奢S聯(lián)動(dòng)控制為例， 給出了軟硬件設(shè)計(jì) 、 實(shí)現(xiàn)方法及部分應(yīng)用 程序; 通過(guò)實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,該系統(tǒng)擁有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、控制方便、精準(zhǔn)定位和響應(yīng)迅速 等 特 點(diǎn) ,能 夠 滿(mǎn) 足 位 置 控 制 的 性 能 要 求 ,可 以 進(jìn) 行 廣 泛 推 廣 ， 有 實(shí) 用 價(jià) 值 [7]。2010 年青島大學(xué)徐世宏等人設(shè)計(jì)了自動(dòng)剪切生產(chǎn)線(xiàn)的 PLC 控制系統(tǒng),主要研 究 了 自 動(dòng) 剪 切 生 產(chǎn) 線(xiàn) 的 組 成 及 工 作 原 理 、 根 據(jù) 生 產(chǎn) 線(xiàn) 的 工 藝 流 程 ,設(shè) 計(jì) 其 控 制 系 統(tǒng)、 根據(jù)生產(chǎn)工藝要求, 設(shè)計(jì)控制程序, 包括觸摸屏畫(huà)面和 PLC 程序， 經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn) 證 新 設(shè) 計(jì) 的 自 動(dòng) 剪 切 生 產(chǎn) 線(xiàn) 能 夠 滿(mǎn) 足 生 產(chǎn) 需 求 并 提 高 效 率 [8]。2011 年華中科技大學(xué)彭濤通過(guò) PLC 控制實(shí)現(xiàn)脈沖磁體繞線(xiàn)機(jī)伺服電機(jī)控制 系 統(tǒng) 的 開(kāi) 發(fā) 。 首 先 通 過(guò) 研 究 綜 述 對(duì) 繞 線(xiàn) 機(jī) 技 術(shù) 的 進(jìn) 行 討 論 。 然 后 分 析 了 PLC 的 原 理 及 特 點(diǎn) ， 并 設(shè) 計(jì) PLC 程 序 進(jìn) 行 對(duì) 繞 線(xiàn) 機(jī) 控 制 系 統(tǒng) 的 控 制 ； 通 過(guò) 分 析 步 進(jìn) 電 機(jī)和交流伺服電機(jī)的原理和特點(diǎn)， 選擇交流伺服電機(jī)并運(yùn)用在新系統(tǒng)中； 研究脈 沖 磁 體 繞線(xiàn) 過(guò)程 ,并結(jié) 合實(shí) 驗(yàn)室 原 先的脈 沖磁 體繞 線(xiàn)機(jī) 性能 。 比較 分 析出原 有設(shè) 備 在 繞 線(xiàn) 過(guò) 程 中 存 在 的 不 足 ;提 出 了 問(wèn) 題 并 設(shè) 計(jì) 了 新 繞 線(xiàn) 機(jī) 系 統(tǒng) 。 實(shí) 驗(yàn) 結(jié) 果 表 明 新 系 統(tǒng) 滿(mǎn) 足 所 需 性 能 要 求 [9]。1.2.2 國(guó)外現(xiàn)狀2011 年 Aasness, Lance 在《Snack Food & Wholesale Bakery》 上 發(fā) 表 了 一 個(gè) 關(guān)于伺服泵填料設(shè)計(jì)的論文， 他們的實(shí)驗(yàn)使灌裝技術(shù)有了一個(gè)質(zhì)的飛越。 該設(shè)計(jì) 在控制技術(shù)上的進(jìn)步，推動(dòng)了成本降低，并大大提高了工作效率。2011 年 Mandeville, David 在 《A dhesives & Sealants Industry》 上發(fā)表 了一篇 關(guān)于驅(qū)動(dòng)分配系統(tǒng)的論文。 該論文主要研究在粘合劑分配系統(tǒng)中的應(yīng)用。 可編程 邏輯控制器（PLC ）與伺服驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)的結(jié)合加快流體運(yùn)動(dòng)與分配。2013 年 Gurney, Michael 在 《 InTech》 上 發(fā) 表 了 一 偏 通 過(guò) PLC 伺 服 控 制 系4統(tǒng)改造原有控制系統(tǒng)延長(zhǎng)了舊貼標(biāo)機(jī)的壽命，并且提高了吞吐量 25%。 美國(guó)內(nèi)華達(dá)州-里諾大學(xué)的 A.M.Graham 通過(guò)研究 PLC 實(shí)施模糊控制策略，通過(guò) PID 算 法 控 制 系 統(tǒng) 誤 差 ， 并 對(duì) 11MW 汽 輪 機(jī) 的 轉(zhuǎn) 速 調(diào) 節(jié) 器 進(jìn) 行 了 仿 真 。 實(shí) 驗(yàn)記過(guò)證明了 PLC 能夠控制小型汽輪機(jī)，該實(shí)驗(yàn)拓展了 PLC 的利用水平 [10]。意大利葛氏巴利尼機(jī)械制造股份公司研制的閘式剪板系統(tǒng)， 結(jié)合 PLC 控制，并有著優(yōu)異的強(qiáng)度、 剛度和精度保持性； 結(jié)合集成式液壓系統(tǒng)伺服驅(qū)動(dòng)， 極大地 提 高 了 機(jī) 床 運(yùn) 行 的 可 靠 性 。 兩 者 結(jié) 合 有 效 的 提 高 了 設(shè) 備 的 自 動(dòng) 化 程 度 [11]。1.3 本 課 題 研 究 任 務(wù) 及 目 標(biāo)PLC 伺 服 系 統(tǒng) 的 內(nèi) 容 十 分 豐 富 ， 應(yīng) 用 范 圍 也 比 較 廣 泛 。 本 論 文 內(nèi) 容 限 制 在PLC 控制伺服系統(tǒng)時(shí)所涉及的接線(xiàn)、編程、原理、算法等范圍中。 論 文 的 緒 論部 分 回 顧 了 PLC 伺 服 控 制 系 統(tǒng) 的 現(xiàn) 今 狀 況 、 技 術(shù) 和 未 來(lái) 發(fā) 展 趨勢(shì)，并對(duì)本文的研究背景和主要研究?jī)?nèi)容進(jìn)行了闡述。 論文第二章主要伺服控制系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu)、 工作原理、 控制原理及數(shù)學(xué)模型。伺 服 系 統(tǒng) 是 PLC 伺 服 控 制 中 的 基 礎(chǔ) 和 關(guān) 鍵 。 因 此 ， 本 章 節(jié) 研 究 了 交 流 伺 服 電 機(jī) 的結(jié)構(gòu)、 矢量控制原理 ， 閉環(huán)系統(tǒng)及速度及位置器控制原理。 伺服驅(qū)動(dòng)器是伺服 電機(jī)的控制器， 因此分析完伺服電機(jī)后， 研究了伺服驅(qū)動(dòng)器的選型、 電路設(shè)計(jì)及 控制方式。論文第三章研究了 PLC 的 工 作 原 理 ， 并 根 據(jù) 課 題 內(nèi) 容 進(jìn) 行 PLC 選型及硬件 線(xiàn) 路 圖 設(shè) 計(jì) 。 討 論 了 PLC 控 制 伺 服 系 統(tǒng) 的 方 法 。 并 設(shè) 計(jì) 了 伺 服 電 機(jī) 速 度 及 位 置 控制等案例，進(jìn)行 PLC 編程，實(shí)現(xiàn)了速度及位置控制。論文第四章針對(duì)系統(tǒng)存在的穩(wěn)態(tài)誤差， 研究了 PID 算法并代入 PLC 程序中， 并對(duì)結(jié)果進(jìn)行了分析。第五章進(jìn)行了人機(jī)界面設(shè)計(jì) ， 實(shí)現(xiàn)通過(guò)上位機(jī)進(jìn)行電機(jī)速度及位置控制 ， 并 進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)調(diào)試及誤差分析。第六章對(duì)論文提出總結(jié)與展望。52 伺 服 電 機(jī) 的 控 制 原 理2.1 伺服電機(jī)概述伺服電動(dòng)機(jī)是指在伺服系統(tǒng)中作為驅(qū)動(dòng)元件的發(fā)動(dòng)機(jī)， 能夠滿(mǎn)足任務(wù)所需求 的控制精度、 快速響應(yīng)性和抗干擾性的電動(dòng)機(jī)。 伺服電動(dòng)機(jī)分為直流與交流兩種。在市場(chǎng)上 ， 長(zhǎng)期以來(lái)占主導(dǎo)地位的是應(yīng)用直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng) 。 但直流電動(dòng) 機(jī)存在一些固有缺點(diǎn)， 如電刷和換向器容易磨損并且換向器會(huì)產(chǎn)生火花使速度受 到限制。 然而交流伺服電機(jī)不存在以上問(wèn)題， 且在同體積的情況下， 交流電機(jī)輸 出功率比直流電機(jī)高出 10%~70%。因此現(xiàn)代數(shù)控機(jī)床及其他高精度設(shè)備都傾向 采用交流伺服驅(qū)動(dòng)，其中永磁交流同步電機(jī)備受青睞。2.2 交流伺服電機(jī)數(shù)據(jù)模型分析2.2.1 交流電機(jī)原理 交流電機(jī)控制系統(tǒng)是以交流電動(dòng)機(jī)作為執(zhí)行元件的速度、 轉(zhuǎn)矩或位置控制系統(tǒng) 的 總 稱(chēng) 。 與 直 流 電 機(jī) 相 比 ， 交 流 電 機(jī) 具 有 轉(zhuǎn) 速 高 、 功 率 大 、 結(jié) 構(gòu) 簡(jiǎn) 單 、 運(yùn) 行 可 靠、 體積小、 價(jià)格低等一系列優(yōu)點(diǎn)。 但是從控制角度來(lái)說(shuō)， 交流電機(jī)是比較復(fù)雜 的。圖 2.1 交 流 伺 服 電 機(jī) 原 理圖 2.1 為交流伺服電機(jī)的運(yùn)行原理圖。 為了便于說(shuō)明， 途中將實(shí)際電機(jī)的 “三 相整距離集中式繞組 ”以單匝線(xiàn)圈的形式進(jìn)行表示由圖可見(jiàn) ， 交流伺服電機(jī)的結(jié) 構(gòu)相當(dāng)于將質(zhì)量電機(jī)的定子與轉(zhuǎn)子進(jìn)行了對(duì)調(diào) ， 當(dāng)定子繞組通電后 ， 通過(guò)電繞組6上 電 磁 力 的 反 作 用 ， 使 得 轉(zhuǎn) 子 產(chǎn) 生 旋 轉(zhuǎn) [13]。 交流伺服電機(jī)以功率管的電子換向取代了直流電機(jī)的整流子與換向器， 保持了直流電機(jī)的優(yōu)點(diǎn)。 同時(shí)又避免了換向器帶來(lái)的制造、 維修等問(wèn)題， 改善了電機(jī) 的散熱效果，它兼有直流電機(jī)與交流電機(jī)兩者的優(yōu)點(diǎn)。這種電機(jī)不僅有響應(yīng)快、 控制精度高、調(diào)速范圍大和轉(zhuǎn)矩控制方便等優(yōu)點(diǎn)。并且使用壽命長(zhǎng)、維修方便、 運(yùn)行可靠性高、控制簡(jiǎn)單。2.2.2 交流永磁電機(jī)矢量控制原理 交流永磁同步電機(jī)采用正弦波的供電方式，其運(yùn)行平穩(wěn)，動(dòng)、靜態(tài)特性好。它能夠消除方波電力突變帶來(lái)的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)， 但控制也比無(wú)刷直流電機(jī)復(fù)雜需要采 用矢量控制技術(shù)。交流永磁同步電機(jī)的矢量控制的數(shù)學(xué)模型可以按照以下步驟建立：①將三相定子電流合成為同意的合成電流。②將定子合成電流分界為兩相正交電流，完成電流的 3-2 變化。③將定子坐標(biāo)系中的兩相蒸餃電流轉(zhuǎn)化到轉(zhuǎn)子坐標(biāo)系上。④在轉(zhuǎn)子坐標(biāo)系中建立定子電壓平衡方程。⑤根據(jù)轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)與定子電流的正交分量建立電機(jī)的運(yùn)行方式。 定子電流的合成過(guò)程如下： 為了便于分析，將三相電子電流以余弦的方式表示如下：iu ??I 1 cos ?tiv ??I 1 cos(?t ??2??/ 3) iw ??I 1 cos(?t ??4??/ 3)(2-1)考 慮 到 三 相 定 子 繞 組 本 身 在 定 子 中 的 空 間 位 置 互 差 2π/3 所 以 IS 可 以 機(jī) 選 如下：is ??I1 cos?t ??I1 cos(?t ??2?/ 3) ??cos(2?/ 3)??I1 cos(?t ??4?/ 3) cos(4?/ 3)??3 I1 cos?t2定子電流變化過(guò)程如下：(2-2)定子電流與轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)在電機(jī)中都是空間旋轉(zhuǎn)的矢量， 且兩者存在一定的夾角 才 能 輸 出 轉(zhuǎn) 矩 ， 如 果 將 兩 者 在 同 一 靜 止 參 考 坐 標(biāo) 系 a-b 上 表 示 ， 可 以 得 到 圖 2.27is iqib??iaid所示矢量圖 [13]。轉(zhuǎn) 子 磁 鏈 矢 量圖 2.2 電 流 與 磁 場(chǎng) 矢 量 圖可以得到定子電流矢量轉(zhuǎn)化到轉(zhuǎn)子磁鏈?zhǔn)噶?d-q 坐標(biāo)中的表達(dá)式為：ia ??is cos ?ib ??is sin ?id ??ia cos ???ib sin ?iq ??ib cos ???ib sin ?(2-3)接下來(lái)需要建立定子電壓平衡方程， 需要在 d-q 坐標(biāo)中分界磁鏈， 進(jìn)過(guò)計(jì)算 與代入得到下式。定子電壓平衡方程：ud ??Rid ? L did ? L?iqdtuq ??Riq ??L didt ? L?id ??K?(2-4)因 此 如 果 控 制 與 轉(zhuǎn) 子 磁 鏈 相 同 的 電 壓 分 量 ud ， 使 得 定 子 電 壓 平 衡 方 程 中 的id ??0 ， 這 就 意 味 著 電 機(jī) 在 旋 轉(zhuǎn) 過(guò) 程 中 式 中 有 ??-????/ 2 ， 即 電 機(jī) 可 以 輸 出 在 最 大 轉(zhuǎn) 矩 的 情 況 下 按 照 同 步 轉(zhuǎn) 速 旋 轉(zhuǎn) ， 這 時(shí) 我 就 可 以 得 到 永 磁 同 步 電 機(jī) 的 運(yùn) 行 方 程。ud ???L?iq電機(jī)運(yùn)行方程： uq ??Riq ? L diq ??K?dt (2-5)M ??Kiqq8Ksc2.2.3 閉環(huán)控制系統(tǒng)分析 全閉系統(tǒng)控制的特點(diǎn)是在移動(dòng)部件上安裝了之間位置檢測(cè)裝置， 它可以檢測(cè)系統(tǒng)最終控制對(duì)象的實(shí)際速度與位置 ， 并與指令值進(jìn)行比較后構(gòu)成閉環(huán) ， 從而實(shí) 現(xiàn)移動(dòng)部件的精確運(yùn)動(dòng)和定位，系統(tǒng)構(gòu)圖如圖 2.3。圖 2.3 閉 環(huán) 驅(qū) 動(dòng) 系 統(tǒng) 組 成 原 理 圖其中速度及位置控制器的數(shù)學(xué)分析模型如下：（1）速度控制器設(shè)計(jì)速度* 控 制 器 *電流 TL控 制 系 統(tǒng)?rm+-iGs (s) q 1Tcqs ?1 iq TeT* (s)1 ?rmJs圖 2.4 速 度 控 制 系 統(tǒng) 框 圖根據(jù)圖 2.4 對(duì)伺服系統(tǒng)中常見(jiàn)的 PI 速度控制器的設(shè)計(jì)方法進(jìn)行說(shuō)明。PI 速度控制器的傳遞函數(shù)為：Gs(s) ? Ksp ? Ksi s （ 2-6）式中 Ksp, Ksi 為比例、 積分增益 。 圖 2.4 中伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)矩 KT 和轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 J 已 知，并認(rèn)為系統(tǒng)交叉角頻率 ?c 已設(shè)定好，在這個(gè)情況下速度控制器的增益值是G9G (sscsciqiqsscsc可以計(jì)算得到的， 但是會(huì)比較麻煩。 這里推薦利用速度控制系統(tǒng)開(kāi)環(huán)傳遞函數(shù)頻 率特性的建議設(shè)計(jì)方法 [14]。PI 速度控制系統(tǒng)的開(kāi)環(huán)函數(shù)：0 ) ??(Ksp ? Ksi )1 KT （ 2-7）s Tcq s ?1 JsG0 (s) 的直線(xiàn)近似頻率特性如圖 2.5 所示。同時(shí)，其所包含的三個(gè)傳遞函數(shù) 頻率特性也在圖中用虛線(xiàn)表示出來(lái)。 從圖中可以看出， iq 控制系統(tǒng)的交叉角頻 ?c比 PI 速度控制系統(tǒng)的交叉角頻率 ?sc 高上數(shù)倍， 在其附近 iq 控制系統(tǒng)的閉環(huán)傳遞 函數(shù) G0 (s) 可看出近似 1.即 G0 (s) ≈1 同時(shí) PI 轉(zhuǎn)折點(diǎn)角頻率 ?pi 為:?pi ??Ksi / Ksp （ 2-8）當(dāng) ?pi 為 ?sc 數(shù)分之一時(shí)， ?sc 附近有 G0 (s) ≈ Ksp-40dB/dec-20dB/dec0?piG0 (s)?sc ?cKsp ? Ksi s1Tcqs ?1KTJs -40dB/dec-20dB/dec圖 2.5 PI 速 度 控 制 系 統(tǒng) 的 開(kāi) 環(huán) 頻 率 特 性通過(guò)上述分析可得一下三式G0 (s) ??Ksp KJs（ 2-9）J?scKsp ? （ 2-10）KTT10rm?c ??2?sc?c ??3?sc?c ??5?sc?c ????pi ???sc / 5 （ 2-11）假設(shè) PI 速度控制系統(tǒng)的交叉角頻率 ?sc 為 500rad/s， 則 ?pi 為 100rad/s， 改變 iq控制系統(tǒng)的交叉頻率 ?c 時(shí)的 PI 速度控制系統(tǒng)的階躍響應(yīng)如圖 2.6 所示?？梢钥?出如果把內(nèi)換的 iq 控制的 ?c 在 ?c 5 倍以上時(shí)就可以忽略 iq 控制系統(tǒng)對(duì)速度系統(tǒng)響應(yīng)的影響，此時(shí)可以認(rèn)為 Teq =0。?rm /?*1.251.000.750.500.2500.01 0.02 0.03時(shí) 間 /s圖 2.6 PI 速 度 控 制 系 統(tǒng) 的 階 躍 響 應(yīng)（2）位置控制器設(shè)計(jì)圖 2.7 位 置 控 制 系 統(tǒng) 構(gòu) 成 框 圖如圖 2.7 可 見(jiàn) 位 置 控 制 系 統(tǒng) 構(gòu) 成 圖 ， 在 位 置 控 制 系 統(tǒng) 中 ， 通 常 不 希 望 位 置 的?*rm ?* i*qKpp rm G (s) 1iq ?s Tcqs ?1 KT1Jsrm 1s速 度 控 制 環(huán)位 置 控 制 環(huán)11?p *scsc scrm階躍響應(yīng)產(chǎn)生超調(diào)，因此，位置控制大多都采用 P 控制。在速度控制環(huán)節(jié)內(nèi)部， 常 都 設(shè) 有 電 流 控 制 環(huán) ， 在 這 里 忽 略 不 計(jì) ， 認(rèn) 為 其 閉 環(huán) 傳 遞 函 數(shù) 為 1。 此 時(shí) 位 置 控 制系統(tǒng)的閉環(huán)傳遞函數(shù)：Gc (s) ???rmrm? 1Tp s ?1（2-12 ）其中 T p ??1 / K pp ，由于 Tp 是位置控制系統(tǒng)交叉角頻率 ?p 的倒數(shù)，因此K pp ???p 。結(jié) 合 速 度 控 制 系 統(tǒng) 的 傳 遞 環(huán) 數(shù) ， 并 根 據(jù) （ 2-10） ， （ 2-11） ,（ 2-12） ， 綜 合 可得位置系統(tǒng)的閉環(huán)傳遞函數(shù)：Gc (s) ? ??s ??2 / 5s2 ???s ??2 / 5 （ 2-13）sc sc因此設(shè)定位置控制系統(tǒng)的交叉角頻率 ?p 為 50rad/s， 使速度控制系統(tǒng)的交叉 角頻率發(fā)生變化時(shí)，計(jì)算出位置控制系統(tǒng)的階躍響應(yīng)如圖 2.8 所示。?rm /?*1.0（ ?p ??50rad / s?sc ??100rad /?sc ??150rad /?sc ??250rad /?sc ??500rad /?sc ???0時(shí) 間 /s圖 2.8 位 置 控 制 系 統(tǒng) 的 階 躍 響 應(yīng)0.1122.3 伺 服 驅(qū) 動(dòng) 器 選 型 及 接 線(xiàn)交流伺服伺服系統(tǒng)主回路設(shè)計(jì)主要是根據(jù)選定的伺服電機(jī)規(guī)格， 進(jìn)行伺服驅(qū) 動(dòng)器以及主回路配套件的型號(hào)規(guī)格選擇。伺服驅(qū)動(dòng)器的選擇應(yīng)根據(jù)伺服電機(jī)規(guī)格進(jìn)行選擇。 目前， 通用型交流伺服驅(qū) 動(dòng)器通常有通用接口與總線(xiàn)接口型兩種。 根據(jù)實(shí)驗(yàn)類(lèi)型 ， 選擇三菱 MR-J3-A 系列。表 2.1 系 列 驅(qū) 動(dòng) 器 配 套 附 件驅(qū)動(dòng)器 型號(hào) MR-J3電壓等級(jí) 直 流 電 抗 器交 流 電 抗 器濾 波 器零 相 電 抗 器外 置 式 制 動(dòng)器20A/B 單 相 FR-BEL-0. FR-BAL-0. HF301 FR-BSF01 MR-RB032(AC230V 或 4K 4K 0A 40 Ω /30w)三 相 或AC200V MR-RB12(40Ω/300w)表 2.2MR-J3 規(guī) 格 與 性 能產(chǎn)品系列 MR-J3控制電機(jī)功率 50w~55kwPWM 形式 正弦波 PWM控制方式 矢量控制控制類(lèi)型 位置、速度、轉(zhuǎn)矩位置給定輸入形式 SSCNET 高速總線(xiàn)（光纜）或兩相脈沖輸入速度給定輸入形式 0~±10V 模擬量轉(zhuǎn)矩給定輸入形式 0~±8V 模擬量13續(xù)表 2－2最高定位脈沖輸入頻率 1MHz（ 差 分 脈 沖 輸 入 ） ； 200KHz(集 電 極 開(kāi)路輸入)位置測(cè)量系統(tǒng) 18bit(262 144p/r)直接外部輸入控制方式速度控制范圍1:2000伺服控制方式的內(nèi)部速度控制范圍 1:5000伺服速度控制方式的速度控制誤差 ≤±0.01%外部輸入模擬量輸入速度控制誤差 ≤±0.02%速度（頻率）響應(yīng)（Hz） 900伺服電機(jī)最高轉(zhuǎn)速（r /min） 6000最大負(fù)載慣量比 30MR-J3 系列電源/驅(qū)動(dòng)一體型驅(qū)動(dòng)器的主回路連接端布置圖 2.9。圖 2.9 主 回 路 連 接 端 布 置 圖驅(qū)動(dòng)器的主電源連接需要注意如下問(wèn)題：14①輸入電源必須連接到端子 L1/L2/L3 上， 切不可連接到電機(jī)點(diǎn)數(shù)連接端 U/V/W。②當(dāng)驅(qū)動(dòng)器使用直流電抗器時(shí)， 應(yīng)斷開(kāi)短接端 P1 與 P2， 并將直流點(diǎn)看起串聯(lián)到 P1 與 P2 上；如不使用電流電抗器則必須保留 P1 與 P2 間的短接端。③對(duì)于使用內(nèi)置式制動(dòng)電阻的驅(qū)動(dòng)器，必須保留 P 與 D 間的短接端。MR-J3 系列驅(qū)動(dòng)器的控制方式可通過(guò)基本參數(shù) PA01 的設(shè)定選擇，控制方式 分為“基本控制”與“可切換控制”兩類(lèi)。作 為 一 般 應(yīng) 用 ， 驅(qū) 動(dòng) 器 通 常 直 接 選 擇 獨(dú) 立 的 位 置 控 制 、 速 度 控 制 、 轉(zhuǎn) 矩 控 制 三 種 基 本 方 式 。 當(dāng) 控 制 方 式 要 求 隨 對(duì) 象 改 變 時(shí) ， 可 通 過(guò) 參 數(shù) PA01 的 設(shè) 定 ， 利 用 驅(qū) 動(dòng) 器 DI 信 號(hào) LOP 進(jìn) 行 控 制 方 式 的 切 換 ； LOP 信 號(hào) OFF， 驅(qū) 動(dòng) 器 選 擇 第 一 種 控 制 方 式 ； LOP 信號(hào) ON，則選擇第二種控制方式。153 PLC 伺 服 控 制PLC 在工業(yè)控制中應(yīng)用十分廣泛， 具有編程簡(jiǎn)單、 操作方便、 功能強(qiáng)的特點(diǎn)。 常見(jiàn)的用途有模擬量控制和開(kāi)關(guān)量控制。 一般情況下， PLC 是用來(lái)與上位機(jī)進(jìn)行 通 訊 。 然 而 在 PLC 通 訊 擴(kuò) 展 口 插 入 通 訊 功 能 板 塊 后 ， 可 以 方 便 的 實(shí) 現(xiàn) PLC 與其 他設(shè)備的數(shù)據(jù)傳輸使 PLC 的使用范圍進(jìn)一步擴(kuò)大。例如本課題中使用的 MR-J3 型伺服驅(qū)動(dòng)器與 PLC 的連接。3.1 PLC 工 作 原 理 及 通 信PLC 有多種輸出方式， 一般采用晶體管輸出 。 晶體管是一種電子原價(jià)， 屬于 無(wú)觸點(diǎn)原件， 它可以用來(lái)通過(guò)基極電流來(lái)控制幾點(diǎn)幾與發(fā)射極的導(dǎo)通。 相比較于 繼電器輸出， 晶體管輸出電路形式響應(yīng)較快速度在 0.2ms 以下， 因此比起繼電器 晶體管的壽命沒(méi)有限制，只有原件老化的情況存在。PLC 的硬件部分由中央處理單元、儲(chǔ)存模塊、輸入/輸出（I/o）模塊、電源 模 塊 、 通 信 模 塊 、 編 程 器 等 部 分 組 成 。 PLC 與伺服系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如下圖 3.1 所示。圖 3.1PLC 與伺服系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖PLC 在系統(tǒng)中， 可以成為網(wǎng)絡(luò)主站， 因其是有數(shù)據(jù)交換控制權(quán)的設(shè)備。 而像 伺服驅(qū)動(dòng)器這樣的設(shè)備， 只能接受與執(zhí)行網(wǎng)絡(luò)控制命的成為網(wǎng)絡(luò)從站。 網(wǎng)絡(luò)設(shè)備 之間通過(guò)通信電纜連接即網(wǎng)絡(luò)中線(xiàn)連接。 主站可以對(duì)多個(gè)從站進(jìn)行通信控制。 因 此 在 本 課 題 中 ， PLC 為 主 站 控 制 從 站 MR-J3 伺 服 驅(qū) 動(dòng) 器 。 采 用 的 是 RS-485 總 線(xiàn)與伺服驅(qū)動(dòng)器通信，完成對(duì)他們的控制命令寫(xiě)入和實(shí)時(shí)讀取功能。PC PLC 伺 服 控制器 編 碼 器 伺 服 電 機(jī)16OM3.2 點(diǎn) 動(dòng) 及 定 位 控 制 設(shè) 計(jì)點(diǎn)動(dòng)控制要求伺服電機(jī)在收到脈沖信號(hào)后根據(jù)脈沖方向轉(zhuǎn)動(dòng)一定角度。 而定 位控制要求是輸入一定的脈沖數(shù)轉(zhuǎn)了所預(yù)期的圈數(shù)， 并且根據(jù)伺服電機(jī)的電子齒 輪值與編碼器分辨率可以推導(dǎo)出輸入脈沖數(shù)相當(dāng)于電機(jī)轉(zhuǎn)了多少轉(zhuǎn)。 由此可見(jiàn)點(diǎn) 動(dòng) 控 制 和 定 位 控 制 十 分 相 似 并 且 在 PLC 與 伺 服 驅(qū) 動(dòng) 器 的 連 線(xiàn) 可 以 一 樣 如 圖 3.2 所示。-U124VDCMR-JE-20AOPC-U2- +DICOM LDOCOM NAC220V電源+FX13 -K024VDCGND + FX 系列 PLC 主機(jī)S/S控 制 屏 面 COM K0 EM2 強(qiáng) 制 停 止SON 伺 服 開(kāi) 啟RES 復(fù)位-S0 S0com-S1 S1 X0 正轉(zhuǎn)-K1 K1CR-K2com-S2com S2X1 反轉(zhuǎn)X2 停止COM K2-K3COMLSP 正 轉(zhuǎn) 行 程 末 端LSN 反 轉(zhuǎn) 行 程 末 端COM0 Y0 COM1 Y1PP 正 轉(zhuǎn) 脈 沖 列NP 反 轉(zhuǎn) 脈 沖 列圖 3.2 位置控制模式連線(xiàn)圖 在線(xiàn)路連接完成后 ， 需要進(jìn)行伺服驅(qū)動(dòng)器的參數(shù)設(shè)定 ， 需要將伺服驅(qū)動(dòng)器調(diào)整在位置控制模式之下。 位置控制模式下， 伺服電機(jī)收到正負(fù)極脈沖后， 會(huì)進(jìn)行CK317正反轉(zhuǎn)并且會(huì)根據(jù)收到的脈沖數(shù)進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)， 正反極性脈沖示意圖如 3.3、 3.4 所示。PPNPHL正轉(zhuǎn) 反轉(zhuǎn)圖 3.3 正 極 性 脈 沖 +方 向 輸 入正轉(zhuǎn) 反轉(zhuǎn)圖 3.4 負(fù) 極 性 脈 沖 +方 向 輸 入此時(shí)可以在上位機(jī) PC 端的 PLC 編程軟件 GX-DEVELOPER 中編譯程序并 寫(xiě)入 PLC 中，點(diǎn)動(dòng)梯形圖如圖 3.5 所示，定位控制梯形圖如 3.6 所示。圖 3.5 點(diǎn)動(dòng)梯形圖在 X0 上升沿按下點(diǎn)動(dòng)按鈕使 Y0 置位， 在 X0 下降沿按下松開(kāi)按鈕使 Y0 復(fù) 位，由此完成伺服電機(jī)的點(diǎn)動(dòng)過(guò)程。PPNP HL18圖 3.6 定 位 控 制 梯 形 圖3.2 速 度 控 制 及 多 段 速 度 控 制 設(shè) 計(jì)速 度 控 制 原 理 上 與 定 位 控 制 相 差 不 多 。 當(dāng) 伺 服 驅(qū) 動(dòng) 器 在 位 置 控 制 模 式 下 ， 可 以不修改連線(xiàn)方式，繼續(xù)連線(xiàn)如圖 3.2 所示。此時(shí)，設(shè)計(jì)僅需將圖 3.6 中的 18 行指令刪除， 并且將第 10 行指令修改成圖 3.7 所示， 其中 D0 是寄存器代表輸出 脈沖頻率可正可負(fù)。圖 3.7 速度控制指令將程序修改完成后在 PLC 中輸入脈沖頻率值即可實(shí)現(xiàn)速度控制，并且由于 正負(fù)脈沖的不同可以控制電機(jī)進(jìn)行正反轉(zhuǎn)動(dòng)。速度多段控制設(shè)計(jì)需要將 PLC 與伺服驅(qū)動(dòng)的連線(xiàn)圖進(jìn)行更改如圖 3.8 所示。19圖 3.8 速度模式下硬件連線(xiàn) 連 線(xiàn) 完 成 后 需 做 電 路 轉(zhuǎn)變 工 作 。 220V 的 單 相 交 流 電 源 電 壓 經(jīng) 開(kāi) 關(guān) 送 到 伺 服驅(qū)動(dòng)器的 L11、 L12 端， 因而伺服驅(qū)動(dòng)器內(nèi)部控制電路開(kāi)始工作， ALM 端變?yōu)?ON， VDD 輸出電流經(jīng)繼電器 RA 線(xiàn)圈進(jìn)入 ALM 端 ， 電 磁 制 動(dòng) 器 外 接 RA 觸 點(diǎn) 閉 合 ， 制 動(dòng) 器線(xiàn)圈得電使抱閘松開(kāi)， 停止對(duì)伺服電動(dòng)機(jī)制動(dòng)， 同時(shí)驅(qū)動(dòng)器啟停保護(hù)電路中的 RA 觸點(diǎn)也閉合， 如果這是按下 ON 觸點(diǎn)， 接觸器 MC 線(xiàn)圈得電， MC 自鎖觸點(diǎn)閉合， 鎖定 MC 線(xiàn)圈供電，另外 MC 觸點(diǎn)也閉合，220V 電源送到伺服驅(qū)動(dòng)器 L1、L2 端， 為內(nèi)部主電路供電 [16]。速度多段控制控制要求圖如 3.9 所 示 ， 并 且 提 出 控 制 要 求 。 在 按 下 啟 動(dòng) 按 鈕 后 ， 在 0~5s 內(nèi) 停 止 轉(zhuǎn) 動(dòng) ， 在 5~15s 內(nèi) 以 1000r/min 速 度 轉(zhuǎn) 動(dòng) ， 在 15~21s 內(nèi) 以 800r/min 速度轉(zhuǎn)動(dòng)， 在 21~30s 內(nèi)以 1500r/min 速度轉(zhuǎn)動(dòng)， 在 30~40s 內(nèi)以 300r/mi 速度轉(zhuǎn)動(dòng)，在 40~48s 內(nèi)以 900r/mins 的速度反向轉(zhuǎn)動(dòng)，48s 后重復(fù)上述過(guò)程。若 在運(yùn)行過(guò)程中按下停止按鈕， 則要求運(yùn)行完當(dāng)前周期后再停止。 由一種速度轉(zhuǎn)為 下一種速度時(shí)的加減速度時(shí)間都為 1S。20速 度 （ r/min）15001000800300100005 15 21 30 40 48 53 63-900時(shí) 間 （ s）圖 3.9 伺服電機(jī)多段速度的速度曲線(xiàn) 將 伺 服 驅(qū) 動(dòng) 器 設(shè) 置參 數(shù) PA01 將 數(shù) 值 修 改 成 1002 使 電 機(jī) 變 為 速 度 控 制 模 式并需要將一系列參數(shù)修改如表 3.1 所示后，可以實(shí)現(xiàn)多段速度控制。3-1 速 度 多 段 控 制 參 數(shù) 修 改 表參數(shù) 名稱(chēng) 初始值 設(shè)置值 說(shuō)明PA01 控制模式選擇 0000 1002 設(shè)置成速度控制模式PC01 內(nèi)部速度 1 100 0 0r/minPC02 內(nèi)部速度 2 5000 1000 1000r/minPC05 內(nèi)部速度 3 1000 800 800r/minPC06 加速時(shí)間常數(shù) 0 1000 1000msPC07 減速時(shí)間常數(shù) 0 1000 1000msPD01 用于設(shè)定 SON、 LSP、 0000 0111 SON、 LSP、 LSN 內(nèi)部自動(dòng) 置LSN 的自動(dòng)置 ON ONPD03 輸入信號(hào)選擇 2 0111 0AA1 在速度模式下把 son 改成 SP3PC08 內(nèi)部速度 4 200 1500 1500r/minPC09 內(nèi)部速度 5 300 300 300r/minPC10 內(nèi)部速度 6 500 900 900r/min按下 SB1， PLC 程序運(yùn)行，按設(shè)定時(shí)間從 Y003~Y001 端輸出速度選擇信號(hào)21到伺服驅(qū)動(dòng)器 SP3~SP1 端，從 Y004、Y005 端輸出正 /反轉(zhuǎn)控制信號(hào)到伺服驅(qū)動(dòng) 器的 ST1、ST2 端，選擇伺服驅(qū)動(dòng)器中已設(shè)置好的 6 種速度。表 3-2 ST1、 ST2、 SP3~SP1 端 的 控 制 信 號(hào) 與 伺 服 驅(qū) 動(dòng) 器 的 速 度 對(duì) 應(yīng) 關(guān) 系ST1(Y004) ST2(Y005) SP3(Y003) SP2(Y002) SP1(Y001) 對(duì)應(yīng)速度0 0 0 0 0 電機(jī)停止1 0 0 0 1 速度 1=01 0 0 1 0 速度 2=10001 0 0 1 1 速度 3=8001 0 1 0 0 速度 4=15001 0 1 0 1 速度 5=3000 1 1 1 0 速度 6=900伺服驅(qū)動(dòng)器的參數(shù)修改完成后，進(jìn)行 PLC 梯形圖的編譯。圖 3.10 速 度 多 段 控 制 程 序 1如圖 3.10 所示 PLC 上電， M8002 觸點(diǎn)接通一個(gè)掃描周期狀態(tài)繼電器 S0 置 位，S0 常開(kāi)觸點(diǎn)閉合。停止控制。圖 3.11 速 度 多 段 控 制 程 序 2如圖 3.11 所 示 啟 動(dòng) 控 制 ； 停 止 控 制 時(shí) ， M0 敞開(kāi)觸點(diǎn)閉合，使 Y001~Y00522輸出為 0ff， 同 時(shí) Y000 輸出為 ON，對(duì)伺服驅(qū)動(dòng)器復(fù)位。圖 3.12 速 度 多 段 控 制 程 序 3如 圖 3.12 所 示 控 制 伺 服 驅(qū) 動(dòng) 器 ， 按 速 度 1 驅(qū) 動(dòng) 電 機(jī) 運(yùn) 行 ， 同 時(shí) 開(kāi) 始 計(jì) 時(shí)5s 后轉(zhuǎn)到速度 2 。圖 3.13 速 度 多 段 控 制 程 序 4如 圖 3.13 所 示 控 制 伺 服 驅(qū) 動(dòng) 器 ， 按 速 度 2 驅(qū) 動(dòng) 電 機(jī) 運(yùn) 行 ， 同 時(shí) 開(kāi) 始 計(jì) 時(shí)10s,10s 后轉(zhuǎn)到速度 3 。圖 3.14 速 度 多 段 控 制 程 序 523如圖 3.14 所示控制伺服驅(qū)動(dòng)器， 按速度 3 驅(qū)動(dòng)電機(jī)運(yùn)行， 同時(shí)開(kāi)始計(jì)時(shí) 6s,6s后轉(zhuǎn)到速度 4 。圖 3.15 速 度 多 段 控 制 程 序 6如圖 3.15 所示控制伺服驅(qū)動(dòng)器， 按速度 4 驅(qū)動(dòng)電機(jī)運(yùn)行， 同時(shí)開(kāi)始計(jì)時(shí) 9s,9s后轉(zhuǎn)到速度 5 。圖 3.16 速 度 多 段 控 制 程 序 7如 圖 3.16 所 示 控 制 伺 服 驅(qū) 動(dòng) 器 ， 按 速 度 5 驅(qū) 動(dòng) 電 機(jī) 運(yùn) 行 ， 同 時(shí) 開(kāi) 始 計(jì) 時(shí)10s,10s 后轉(zhuǎn)到速度 6 。24圖 3.17 速 度 多 段 控 制 程 序 8如圖 3.17 所示控制伺服驅(qū)動(dòng)器， 按速度 6 驅(qū)動(dòng)電機(jī)運(yùn)行， 同時(shí)開(kāi)始計(jì)時(shí) 8s,8s 后若本周期進(jìn)行停止控制， M0 常開(kāi)觸點(diǎn)閉合 ， 執(zhí)行“ SET S0”， 進(jìn)入再啟動(dòng)狀態(tài)； 后若本周期未進(jìn)行停止控制，M0 常開(kāi)觸點(diǎn)斷開(kāi)，M0 長(zhǎng)閉觸點(diǎn)閉合，執(zhí)行“SET S20”， 進(jìn) 入 下 一 個(gè) 周 期 。3.3 原 點(diǎn) 回 歸 控 制在執(zhí)行 DRVI 相對(duì)位置控制和 DRVA 絕對(duì)位置控制時(shí) 。 PLC 利用自身生產(chǎn)的 正脈沖或者反脈沖進(jìn)行當(dāng)前值得增減， 并將其保存在前值寄存器 （Y 000； Y001） 中 。 因 此 PLC 可 以 記 錄 這 些 機(jī) 械 的 當(dāng) 前 位 置 值 并 保 存 ， 但 當(dāng) PLC 斷電時(shí)就會(huì)消 失， 因此在上電和初始運(yùn)行時(shí)， 必須執(zhí)行原點(diǎn)回歸， 將機(jī)械動(dòng)作原點(diǎn)的位置數(shù)據(jù) 事先寫(xiě)入，原點(diǎn)回歸指令如圖 3.18 所示。圖 3.18 DZRN 指令其中 K3000 表 示 原 點(diǎn) 回 歸 開(kāi) 始 時(shí) 的 速 度 。 K500 指 爬 行 速 度 ， 即 指 定 近 點(diǎn) 信 號(hào)變?yōu)?ON 后的低速部分的速度。 X004 為指定近點(diǎn)信號(hào)輸入。 Y000 為脈沖輸出 起始地址。整體回歸原點(diǎn)順序如下圖 3.19 所示。25圖 3.19 原 點(diǎn) 回 歸 順 序 圖 結(jié) 合 實(shí) 際 工作 臺(tái) 如 圖 3.20， 并 設(shè) 計(jì) PLC 梯 形 圖 如 圖 3.21 所 示 。圖 3.20 工 作 臺(tái) 示 意 圖圖 3.21 原 點(diǎn) 回 歸 程 序 圖工 作 臺(tái) 前 端 檢原 點(diǎn) 位 置初 始 位 置爬 行 速 度 原 點(diǎn) 回 歸 速 度