基于PLC的伺服電機(jī)控制系統(tǒng)開發(fā)

基于PLC的伺服電機(jī)控制系統(tǒng)開發(fā),基于,plc,伺服,電機(jī),機(jī)電,控制系統(tǒng),開發(fā) 1基 于 PLC 的 伺 服 電 機(jī) 控 制 系 統(tǒng) 開 發(fā)1、 課 題 背 景PLC （Programmable Logic Controller）名為可編輯邏輯控制器，誕生于 上個(gè)世紀(jì)， 其功能強(qiáng)大、 使用方便、 性價(jià)比高、 可靠性抗干擾能力強(qiáng)的優(yōu)異特點(diǎn) 使它成為了現(xiàn)代化工業(yè)改革中控制系統(tǒng)方面的一面旗幟。 而伺服電機(jī)是工廠自動(dòng) 化、 數(shù)控機(jī)床 、 機(jī)器人等機(jī)電一體化中的重要驅(qū)動(dòng)部件。 兩者都廣泛運(yùn)用在工業(yè) 領(lǐng)域，而它們的結(jié)合更是給整個(gè)現(xiàn)代工業(yè)帶來了翻天覆地的變化。伺服系統(tǒng) （servomechanism） 又稱隨動(dòng)系統(tǒng)， 是用來精確地跟隨或復(fù)現(xiàn)某個(gè) 過程的反饋控制系統(tǒng)。 伺服系統(tǒng)使物體的位置、 方位、 狀態(tài)等輸出被控量能夠跟 隨輸入目標(biāo) （或給定值） 的任意變化的自動(dòng)控制系統(tǒng)。 它的主要任務(wù)是按控制命 令的要求、 對(duì)功率進(jìn)行放大、 變換與調(diào)控等處理， 使驅(qū)動(dòng)裝置輸出的力矩 、 速度 和位置控制非常靈活方便。 在很多情況下， 伺服系統(tǒng)專指被控制量 （系統(tǒng)的輸出 量） 是機(jī)械位移或位移速度 、 加速度的反饋控制系統(tǒng) ， 其作用是使輸出的機(jī)械位 移 （ 或 轉(zhuǎn) 角 ） 準(zhǔn) 確 地 跟 蹤 輸 入 的 位 移 （ 或 轉(zhuǎn) 角 ） ， 其 結(jié) 構(gòu) 組 成 和 其 他 形 式 的 反 饋 控 制 系 統(tǒng) 沒 有 原 則 上 的 區(qū) 別 。 伺 服 系 統(tǒng) 最 初 用 于 國(guó) 防 軍 工 , 如 火 炮 的 控 制 , 船 艦、飛機(jī)的自動(dòng)駕駛,導(dǎo)彈發(fā)射等,后來逐漸推廣到國(guó)民經(jīng)濟(jì)的許多部門,如自動(dòng) 機(jī)床、無線跟蹤控制等縱觀我國(guó)的工業(yè)自動(dòng)化水平還依舊處于發(fā)展階段， 無論是控制系統(tǒng)還是網(wǎng)絡(luò) 化程度都和發(fā)達(dá)國(guó)家之間存在明顯的差距。 其中有大多數(shù)工廠依舊使用傳統(tǒng)機(jī)床 和生產(chǎn)加工線 ， 這些工廠和企業(yè)急需爆發(fā)出新的生命力來響應(yīng)國(guó)家的政策 。 并且 近年來我國(guó)強(qiáng)調(diào)經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)現(xiàn)和現(xiàn)代工業(yè)化的轉(zhuǎn)變， PLC 伺服控制應(yīng)用將是 其中必不可少的一份子 。 因此從它的發(fā)展趨勢(shì)來看 ， 它在我國(guó)工業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域的拓 展和深入將是必然實(shí)現(xiàn)的。而 本 課 題 基 于 PLC 的 伺 服 電 機(jī) 的 控 制 系 統(tǒng) ， 便 是 順 應(yīng) 時(shí) 代 的 潮 流 。 在 plc 深入改革工業(yè)世界的同時(shí)， 運(yùn)用自己所學(xué)的基礎(chǔ)知識(shí)和專業(yè)知識(shí)來設(shè)計(jì)并解決問 題。22、文獻(xiàn)調(diào)研2.1 PLC 伺服系統(tǒng)在國(guó)內(nèi)發(fā)展現(xiàn)狀2012 年 沈 陽 理 工 大 學(xué) 機(jī) 械 電 子 工 程 的 王 瑜 碩 士 在 導(dǎo) 師 陳 白 寧 的 輔 導(dǎo) 下 研 究 以鋼管切割生產(chǎn)線中的自動(dòng)定長(zhǎng)切割設(shè)備為對(duì)象， 提出了鋸片在高速旋轉(zhuǎn)的過程 中變速進(jìn)給切削的新理念， 研究開發(fā)了可以變速、 定長(zhǎng)切割， 具有設(shè)備可靠性高、 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、 易于調(diào)試等特點(diǎn)的冷切割設(shè)備控制系統(tǒng) 。 該系統(tǒng)自動(dòng)化程度高， 可靠 性高，鋼管的切削質(zhì)量高，鋸片的使用壽命長(zhǎng)。2013 年 南 京 師 范 大 學(xué) 電 氣 工 程 的 劉 佳 佳 碩 士 在 導(dǎo) 師 鞠 勇 的 指 導(dǎo) 下 ， 根 據(jù) 江 蘇某集團(tuán)有限公司根據(jù)市場(chǎng)需求開發(fā)的軸承壓入機(jī)項(xiàng)目。 針對(duì)軸承壓入機(jī)的機(jī)械 結(jié) 構(gòu) 與 工 作 特 點(diǎn) ,采 用 基 于 PLC 的 伺 服 運(yùn) 動(dòng) 系 統(tǒng) 實(shí) 現(xiàn) 軸 承 壓 入 控 制 。 實(shí) 現(xiàn) 了 PLC 伺 服 控 制系 統(tǒng)精 確定 位的 設(shè)計(jì) 與研 發(fā), 采 用手 動(dòng)和 自動(dòng) 兩種 操作 方式 對(duì)系 統(tǒng)進(jìn) 行 精 確 定 位。并 且 實(shí) 際使 用效 果良 好, 達(dá) 到了 設(shè)計(jì) 的 要 求。 實(shí)驗(yàn) 表明 該精 確定 位系 統(tǒng)具有較高的精確性。2010 年 廣 西 師 范 大 學(xué) 碩 士 喻 偉 闖 在 導(dǎo) 師 羅 曉 曙 的 指 導(dǎo) 下 ， 研 究 從 光 纖 連 接 器 插 針 的 高 精 度 研 磨 需 求 出 發(fā) ,與 某 臺(tái) 資 光 纖 插 針 生 產(chǎn) 企 業(yè) 合 作 研 發(fā) 出 一 套 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 、 設(shè) 計(jì) 了 研 磨 機(jī) 送 料 系 統(tǒng)、氣動(dòng)控制系統(tǒng)以及觸摸屏人機(jī)界面,采用三菱 FX2N 系列 PLC 對(duì)整機(jī)進(jìn)行編 程控制,實(shí)現(xiàn)光纖連接器插針研磨的全自動(dòng)控制。實(shí)際應(yīng)用證明,所研發(fā)的樣機(jī)運(yùn) 行 穩(wěn) 定 、 操 作 簡(jiǎn) 單 ,能 滿 足 產(chǎn) 品 各 項(xiàng) 技 術(shù) 指 標(biāo) 要 求 。 [17]目 前 ,我 國(guó) 鋼 軌 焊 接 通 常 采 用 閃 光 焊 ,其 焊 接 后 必 定 會(huì) 在 焊 接 處 留 下 一 段 焊 瘤 。 為 了 滿 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 Q02H 高性能 PLC、 MR-J3-350A 伺 服 放 大 器 和 QD75M4 定 位 模 塊 組 成 實(shí) 現(xiàn) 對(duì) 機(jī) 床 垂 直 升 降 機(jī) 構(gòu) 的 控 制 從 而 使 鋼 軌 打 磨 機(jī) 床 高 效 穩(wěn) 定 。 [16]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。研究了機(jī)械凸輪的定義和應(yīng)用,進(jìn)而提 出 了 電 子凸 輪的 定義 和應(yīng) 用方 面的 舉例 ,總 結(jié)出 電 子 凸輪 設(shè)計(jì) 的方 法。 并通 過可3編 程 控 制 器 PLC 結(jié) 合 伺 服 系 統(tǒng) 實(shí) 現(xiàn) 電 子 凸 輪 功 能 的 目 標(biāo) ， 為 后 續(xù) 的 需 要 運(yùn) 用 到 電 子 凸 輪 的 應(yīng) 用 起 到 投 石 問 路 的 作 用 。 [15]2008 年 蘭 州 理 工 大 學(xué) 碩 士 劉 麗 榮 在 導(dǎo) 師 羅 生 梅 、 趙 學(xué) 的 指 導(dǎo) 下 研 究 和 開 發(fā) 基于 PLC 的 全 自 動(dòng) 紙 紗 復(fù) 合 制 袋 機(jī) 生 產(chǎn) 線 。 設(shè) 計(jì) 改 進(jìn) 了 剪 切 刀 的 結(jié) 構(gòu) 和 傳 動(dòng) 路 線 ,由 伺 服 電 機(jī) 單 獨(dú) 驅(qū) 動(dòng) ;在 硬 件 電 路 方 面 ,以 PLC 為 控 制 核 心 ,并 帶 一 個(gè) 位 置 控 制 模 塊 ,實(shí) 現(xiàn)了 剪 切 刀速 度與 走袋 速度 的協(xié) 調(diào)控 制。 整 個(gè)硬 件電 路圖 的設(shè) 綜合 運(yùn)用 了可編程控制器( PLC)、 變頻器、 編碼器、 伺服驅(qū)動(dòng)等現(xiàn)代控制部件 ,實(shí)現(xiàn)了以 PLC 為 控 制 核 心 的 紙 紗 復(fù) 合 制 袋 工 藝 的 自 動(dòng) 化 生 產(chǎn) ,解 決 了 原 制 袋 機(jī) 使 用 中 存 在 的 問 題 和 不 足 。 [14]2008 年 《 設(shè) 計(jì) 與 應(yīng) 用 》 第 四 期 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 以 兩 軸 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;調(diào)試結(jié)果表明,該系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、控制靈活、 響 應(yīng) 快 速 、 定 位 精 準(zhǔn) 等 特 點(diǎn) ,滿 足 位 置 控 制 的 性 能 要 求 ,有 推 廣 應(yīng) 用 價(jià) 值 。 [13]2010 年 青 島 大 學(xué) 碩 士 王 世 紅 在 導(dǎo) 師 徐 世 宏 的 指 導(dǎo) 下 設(shè) 計(jì) 了 自 動(dòng) 剪 切 生 產(chǎn) 線 的 PLC 控制系統(tǒng), 主要 研究了自動(dòng)剪切生產(chǎn)線的組成及工 作原理 、根據(jù)生產(chǎn)線的 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, 包括觸摸屏畫面和 PLC 程 序 。 [12]2011 年華中科技大學(xué)黃燦燦在導(dǎo)師彭濤的指導(dǎo)下設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了基于 PLC 的 脈沖磁體繞線機(jī)伺服電機(jī)控制系統(tǒng) 。 主要對(duì)繞線機(jī)技術(shù)實(shí)現(xiàn)方案進(jìn)行了研究綜述 ; 分析脈沖磁體繞線過程,結(jié)合實(shí)驗(yàn)室原有脈沖磁體繞線機(jī)的性能,分析原有設(shè)備在 繞線過程中存在的不足;提出了新繞線機(jī)系統(tǒng)需要實(shí)現(xiàn)的功能和解決的問題 ;分析 了 步 進(jìn) 電機(jī) 和交 流伺 服電 機(jī)的 原理 和特 點(diǎn), 對(duì) 它們 應(yīng)用 于繞 線機(jī) 系統(tǒng) 的優(yōu) 勢(shì)及 劣 勢(shì) 進(jìn) 行 分 析 ;分 析 了 PLC 的 原 理 及 特 點(diǎn) ,對(duì) PLC 應(yīng) 用 于 繞 線 機(jī) 控 制 系 統(tǒng) 的 可 行 性 和 可 靠 性 進(jìn) 行 了 研 究 。 [11]《試驗(yàn)與研究》2014 年 01 期，張貴、黃靜華、夏永勝三人囿于傳統(tǒng)的 PID 控制器用于比例伺服液壓缸位置控制時(shí)出現(xiàn)超調(diào)大、 穩(wěn)態(tài)精度低、 響應(yīng)時(shí)間較長(zhǎng) 等缺點(diǎn),提出參數(shù)在線自整定模糊 PID 控制方法,并對(duì)模糊 PID 控制器的 PLC 實(shí)現(xiàn)進(jìn) 行 分 析 。 針 對(duì) 汽 車 板 簧 試 驗(yàn) 臺(tái) 的 比 例 伺 服 缸 實(shí) 際 控 制 進(jìn) 行 試 驗(yàn) ,結(jié) 果 表 明 :用4PLC 實(shí) 現(xiàn) 的 模 糊 PID 控 制 器 簡(jiǎn) 單 實(shí) 用 ,控 制 精 度 高 ,適 應(yīng) 性 好 ,抗 干 擾 能 力 強(qiáng) ,從 而 提 高 了 控 制 品 質(zhì) ,滿 足 了 控 制 要 求 .[10]2.2 PLC 伺服系統(tǒng)在國(guó)外發(fā)展現(xiàn)狀2013 年 Gurney, Michael 在 《 InTech》 上 發(fā) 表 了 一 偏 通 過 PLC 伺 服 控 制 系 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%。 新的系統(tǒng)包 括的組件從一個(gè)供應(yīng)商， 包括可編程邏輯控制器 （P LC） ， 一個(gè)伺服運(yùn)動(dòng)控制器， 五 伺 服 驅(qū) 動(dòng) 器 和 電 機(jī) （ 對(duì) 于 運(yùn) 動(dòng) 的 五 種 不 同 的 軸 ） ， 和 與 人 - 機(jī) 接 口 的 觸 摸 屏 的 PC（ HMI）軟 件和診 斷工具。 因?yàn)榕f 的系統(tǒng) 沒有 顯 示有意 義的工藝 參數(shù)， 操 作者有時(shí)不知道哪個(gè)方向移動(dòng)的參數(shù)校正過程。 而新的系統(tǒng)則清晰明了， 大大提 高了產(chǎn)量。2011 年 Aasness, Lance 在 《 Snack Food 如 果 上 位 控 制 器 有 比 較 好 的 閉 環(huán) 控 制 功 能 ， 則 可 選 用 速 度控制。根據(jù)電動(dòng)機(jī)的 類型，調(diào)速控制系統(tǒng)也分不同類型，如異步電動(dòng)機(jī)的變 頻 調(diào) 速 和 同 步 電 動(dòng) 機(jī) 的 變 頻 調(diào) 速 ’異 步 電 動(dòng) 機(jī) 的 變 頻 調(diào) 速 分 為 籠 型 異 步 電 動(dòng) 機(jī) 的變頻調(diào)速和 PWM 型變頻調(diào)速。（2）位置控制在 有 上 位 控 制 裝 置 的 外 環(huán) PID 控 制 時(shí) 速 度 模 式 也 可 以 進(jìn) 行 定 位 ， 但 必 須 把 電動(dòng)機(jī)的位置 信號(hào)或直接負(fù)載的位置信號(hào)給上位反饋以做運(yùn)算用。位置模式也 支持直接負(fù)載外環(huán)檢測(cè)位置 信號(hào)，電動(dòng)機(jī)軸端的編碼器只檢測(cè)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速。由 于位置模式對(duì)速度和位置都有很嚴(yán)格的控 制，因而其主要應(yīng)用于定位裝置，如 數(shù)控機(jī)床、印刷機(jī)械等。6（3）轉(zhuǎn)矩控制 轉(zhuǎn) 矩 控 制 方 式 實(shí) 際 上 就 是 通 過 外 部 模 擬 量 的 輸 入 或 直 接 的地 址 賦 值 來 設(shè) 定電動(dòng)機(jī)軸 輸出轉(zhuǎn)矩。例如 10V 對(duì)應(yīng) 5N ? m 的話，當(dāng)外部模擬量設(shè)定為 5V 時(shí)， 電動(dòng)機(jī)軸輸出為 2.5N ? m.如果電動(dòng)機(jī)軸負(fù)載低于 2.5N.m 時(shí)電動(dòng)機(jī)正轉(zhuǎn)， 外部負(fù) 載等于 2.5N ? m 時(shí)電 動(dòng) 機(jī) 不 轉(zhuǎn) ， 大 于 2.5N*m 時(shí)電動(dòng)機(jī)反轉(zhuǎn)(通常在有重力負(fù)載 情況下產(chǎn)生) 。 可以通過即 時(shí)改變模擬量的設(shè)定來改變?cè)O(shè)定力矩大小， 也可通過 通信方式改變對(duì)應(yīng)的地址的數(shù)值來 實(shí)現(xiàn)。轉(zhuǎn)矩控制主要應(yīng)用在對(duì)材質(zhì)的受力有 嚴(yán)格要求的纏繞和放卷的裝置中，例如繞線 裝置或拉光纖設(shè)備。4.3 人機(jī)界面的開發(fā) 使用組態(tài)王進(jìn)行人機(jī)界面的設(shè)計(jì)。4.4 PC 與 PLC 之間的通訊（1）PC 與 PLC 實(shí)現(xiàn)通信的意義（2）PC 與 PLC 實(shí)現(xiàn)通信的方法（3）PC 與 PLC 實(shí)現(xiàn)通信的條件（4）PC 與 PLC 互聯(lián)的結(jié)構(gòu)形式（5）PC 與 PLC 互聯(lián)通信方式5、 進(jìn) 度 安 排序 號(hào) 設(shè) 計(jì) （ 論 文 ） 各 階 段 名 稱 日 期 備 注1 課題調(diào)研 2015 年 12 月 5 日 ~2015 年 12 月 30 日2 專業(yè)外文翻譯 2015 年 12 月 20 日 ~2016 年 1 月 5 日3 學(xué)習(xí) PLC 原理與應(yīng)用，伺服電機(jī)控制等基本知識(shí)，完成控制系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型分析 2016 年 12 月 25 日 ~2016 年 3 月 16 日4 設(shè)計(jì) PLC 程序，完成速度和定位等控制功 能 2016 年 3 月 11 日 ~2016 年 4 月 10 日5 實(shí)現(xiàn)上位機(jī)組態(tài)監(jiān)控功能 2016 年 4 月 10 日 ~2016 年 4 月 30 日6 實(shí)驗(yàn)聯(lián)調(diào)、撰寫相關(guān)文檔 2016 年 5 月 1 日 ~2016 年 5 月 8 日7 撰寫論文、答辯 2016 年 5 月 8 日 ~2016 年 5 月 24 日77、 參 考 文 獻(xiàn)[1] 張 東 明 ， 文 友 先 ， PLC 的 發(fā) 展 歷 程 及 其 在 生 產(chǎn) 中 的 應(yīng) 用 ， 華 中 農(nóng) 業(yè) 大 學(xué) 工 程技術(shù)學(xué)院，430070, 60,62,63 頁[2] 國(guó)內(nèi) plc 廠商的發(fā)展之路，市場(chǎng)研究專欄 （2011 年 02 期）[3] 劉銳， 米欣 ， 基于專利文獻(xiàn)檢索的我國(guó)伺服電機(jī)發(fā)展淺析， 科技成果縱橫2012.01 。[4] 王瑜.PLC 及伺服系統(tǒng)在冷切切割設(shè)備中的應(yīng)用[D]. 沈陽理工大學(xué) 2012[5] 胡文莉,周亞軍.運(yùn)動(dòng)平滑處理技術(shù)在伺服控制系統(tǒng)中的應(yīng)用[J]. 機(jī)電工程.2009(10)[6] 黃 建 新 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