基于PLC的伺服電機控制系統(tǒng)開發(fā)

基于PLC的伺服電機控制系統(tǒng)開發(fā),基于,plc,伺服,電機,機電,控制系統(tǒng),開發(fā) 基 于 PLC 的 伺 服 電 機 控 制 系 統(tǒng) 開 發(fā)摘要在 現(xiàn) 代 化 工 業(yè) 迅 速 發(fā) 展 的 今 天 ， 數(shù) 控 機 床 、 運 動 控 制 平 臺 等 廣 泛 采 用 PLC 進 行 速 度 和 定 位 控 制 。 PLC 因 其 邏 輯 編 程 、 運 算 、 數(shù) 據(jù) 傳 輸 和 處 理 等 強 大 功 能 取 代 了繼電器， 成為近年來最為廣泛應用的工業(yè)自動化控制裝置 。 其常見控制類型包 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。 伺服系統(tǒng)由功率驅(qū)動裝置、 伺服控制器 、 反饋裝置和電動機組成。 它能方便地控制驅(qū)動裝置的輸出力矩、 速度和位置 。 本課題研究基于 PLC 的伺服 電機控制方法，以實現(xiàn)伺服系統(tǒng)的精確速度與位置控制。本文的研究內(nèi)容和成果主要包括：1.調(diào)研了國內(nèi)外 PLC 伺服系統(tǒng)控制的應用情況， 并研究了伺服系統(tǒng)的組成結 構及工作原理。2.針對三菱 MR-J3 系列的伺服系統(tǒng)， 設計并制作了 PLC 控制的硬件線路， 通 過參數(shù)設定實現(xiàn)了位置控制與速度控制兩種工作模式。3.通 過 編 程 實 現(xiàn) 了 伺 服 系 統(tǒng) 的 速 度 、 定 位 、 原 點 回 歸 等 基 本 功 能 。 研 究 了 PID 控制算法以提高系統(tǒng)的動態(tài)響應特性。4.利用組態(tài)王軟件設計了伺服控制系統(tǒng)的人機界面， 通過配置正確的通信接 口實現(xiàn)了上下位機的數(shù)據(jù)傳輸，并成功進行伺服電機的速度及位置控制。實驗調(diào)試順利通過，證明了以上方法的有效性。關鍵詞 ： PLC，伺服系統(tǒng)，伺服電機，PID 算法， 伺服驅(qū)動器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 國內(nèi)外的研究現(xiàn)狀 .21.2.1 國內(nèi)現(xiàn)狀 31.2.2 國外現(xiàn)狀 31.3 本課題研究任務及目標 .42 伺服電機的控制原理 52.1 伺服電機概述 .52.2 交流伺服電機數(shù)據(jù)模型分析 .52.2.1 交流電機原理 52.2.2 交流永磁電機矢量控制原理 62.2.3 閉環(huán)控制系統(tǒng)分析 82.3 伺服驅(qū)動器選型及接線 .123 PLC 伺服控制 .153.1 PLC 工作原理及通信 163.2 點動及定位控制設計 .183.2 速度控制及多段速度控制設計 253.3 原點回歸控制 .253.4 工作臺速度及位置控制 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 人機界面設計與實驗調(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 人機界面設計 .415.4 實驗調(diào)試 425.4.1 實驗方案設計 .425.4.2 實驗過程 .455.4.3 誤差分析及修正提出 .466 總結與展望 47參考文獻 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工業(yè)自動化進程的推進，伺服電機大量應用于機床、印刷設備、 激光加工設備、機器人等對工藝精度、加工效率要求相對高的設備。例如在數(shù)控機床中伺服進給系統(tǒng)是數(shù)控機床的重要的組成部分， 步進電機和 各種伺服電機構成伺服系統(tǒng)中的驅(qū)動元件， 并因其高轉(zhuǎn)速、 適應性強、 穩(wěn)定性等 功能使數(shù)控機床具有加工精度高、生產(chǎn)效率高、柔性高等特點。例如在機器人行業(yè)中， 隨著近年來機器人產(chǎn)業(yè)在國內(nèi)的需求逐步增大并帶動 了伺服系統(tǒng)的市場需求。 伺服電機根據(jù)轉(zhuǎn)矩、 慣量、 精度等的不同需求廣泛運用 在工業(yè)機器人行業(yè)中。 如步進電機因其具有大功率質(zhì)量比和扭矩慣量比、 高啟動 轉(zhuǎn)矩、低慣量和較寬廣且平滑的調(diào)速范圍的特點適用于驅(qū)動機器人的關節(jié)；交、 直流伺服電機因其高啟動轉(zhuǎn)矩、大轉(zhuǎn)矩、低慣量特點適用于機器人末端執(zhí)行器。并且隨著通訊技術的發(fā)展 PLC 廣泛應用于中小型單機電氣控制、 制造業(yè)智能 化控制、 運動控制及過程控制自動化。 在許多企業(yè)生產(chǎn)線中的動作控制精度都要 求很高， 而傳統(tǒng)的控制方法已不能滿足這一需求， PLC 擁有完善的位置控制功能， 并且相應廠商生產(chǎn)了針對單軸或多軸伺服電機的位置控制模塊， 這些自動化模塊 的組合使得 PLC 可以滿足任何工業(yè)需求， 極大的展示了其操作方便、 運行快、 穩(wěn) 定 性 高 的 特 點 。 因 此 在 機 床 、 印 刷 設 備 、 防 止 設 備 、 激 光 加 工 設 備 、 機 器 人 這 些 由 伺 服 電 機 作 為 驅(qū) 動 元 件 的 設 備 中 ， PLC 與 其 完 美 的 結 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 伺服電機控制系統(tǒng)在工業(yè)領域中廣泛應用， 通過調(diào)研國內(nèi) 外 PLC 伺 服 控 制 系 統(tǒng) 的 應 用 情 況 ， 分 析 伺 服 電 機 的 工 作 原 理 ， 從 而 研 究 設 計 了 PLC 控制的硬件線路，并通過參數(shù)調(diào)整實現(xiàn)伺服電機速度及位置兩種控制方式。 通過 PLC 編程實現(xiàn)了伺服電機進行精確的正轉(zhuǎn)反轉(zhuǎn)以及速度及位置控制， 并應用 到實際工業(yè)案例工作臺的移動速度及位置控制中。 為提高系統(tǒng)的動態(tài)響應特性研 究了 PID 算法并結合到實驗中，最終實驗聯(lián)調(diào)設計方案分析結果及進行改進。21.2 國 內(nèi) 外 的 研 究 現(xiàn) 狀1.2.1 國內(nèi)現(xiàn)狀 沈陽理工大學機械電子工程陳白寧 、 王瑜等人研究了在鋼管切割生產(chǎn)線中的 冷 切 割 設 備 控 制 系 統(tǒng) ， 并 設 計 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作為驅(qū)動器并結合觸摸屏形成人機界面方便控制。 經(jīng)過實 驗調(diào)試該系統(tǒng)自動化程度十分高， 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 [1]。2013 年 南 京 師 范 大 學 電 氣 工 程 鞠 勇 等 人 基 于 江 蘇 某 集 團 有 限 公 司 對 市 場 需 求 而 開 發(fā) 的 軸 承 壓 入 機 項 目 。 采 用 基 于 PLC 的 伺 服 運 動 系 統(tǒng) 來 控 制 軸 承 壓 入 ， 并結合軸承壓入機的機械結構與工作的特點,設計實現(xiàn)了 PLC 伺服控制系統(tǒng)的精確定位。操作方式分為手動和自動兩種，通過實際操作發(fā)現(xiàn)使用效果良好,達到 了 設 計 提 出 的 要 求 。 最 終 結 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 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)， 通過和某臺資光纖插針生產(chǎn)企業(yè)溝通了解后， 一起設計研發(fā)了一套 新的光纖連接器研磨機伺服控制系統(tǒng)。 主要研究了伺服系統(tǒng)的組成結構和工作原 理 、 光 纖 連 接 器 研 磨 機 操 作 臺 X 軸 、 Y 軸 、 A 軸 的 運 動 控 制 方 式 、 完 成 了 對 研 磨機的送料系統(tǒng)、 氣動控制系統(tǒng)和觸摸屏人機界面的設計。 整機進行編程采用三 菱 FX2N 系 列 ,實 現(xiàn) 了 光 纖 連 接 器 插 針 研 磨 的 全 自 動 控 制 。 通 過 實 際 應 用 證 明 了 研 發(fā) 的 樣 機 運 行 穩(wěn) 定 并 且 能 夠 滿 足 產(chǎn) 品 各 項 技 術 指 標 要 求 [3]。目前,我國鋼軌焊接一般采用閃光焊,然而焊接后必定會在焊接處留下一段焊 瘤 。 因 此 為 了 滿 足 對 鋼 軌 平 直 度 的 要 求 ， 2013 年 西 南 交 通 大 學 碩 士 唐 茂 盛 在 導 師龔邦命的指導下， 對機床整機重新設計并采用 MR-J3-350A 伺服放大器、 Q02H 高性能 PLC 和 QD75M4 定位模塊的組成，實現(xiàn)了對機床垂直升降機構的控制， 并 能 使 鋼 軌 打 磨 機 床 高 效 穩(wěn) 定 [4]。2014 年 大 連 理 工 大 學 碩 士 婁 宇 翔 在 導 師 韓 敏 的 指 導 下 對 電 子 凸 輪 進 行 分 析 與研究,總結出電子凸輪設計的一般方法。通過研究機械凸輪的定義和應用,進而 分 析 了 電 子 凸 輪 的 定 義 和 實 現(xiàn) 應 用 方 面 的 案 例 ,并 總 結 出 電 子 凸 輪 設 計 的 方 法 。 通 過 可 編 程 控 制 器 PLC 結 合 伺 服 系 統(tǒng) 實 現(xiàn) 了 電 子 凸 輪 功 能 的 目 標 ， 至 此 為 后 續(xù) 的 電 子 凸 輪 應 用 的 研 究 設 計 起 到 投 石 問 路 的 作 用 [5]。32008 年蘭州理工大學羅生梅、趙學研究和開發(fā)了基于 PLC 的全自動紙紗復 合制袋機生產(chǎn)線。 最終設計并改進了剪切刀的結構和傳動路線。 傳動路線由伺服 電機單獨提供動力。而整體電路通過結合 PLC 與位置控制模塊,實現(xiàn)了精確控制 剪切刀速度與走袋速度。整個系統(tǒng)的設計完美結合了可編程控制器(PLC)、變頻 器、 編碼器和伺服驅(qū)動等控制部件。 解決提出的問題實現(xiàn)了紙紗復合制袋工藝的 自 動 化 生 產(chǎn) ,并 進 一 步 完 善 了 原 制 袋 機 的 使 用 中 存 在 的 問 題 和 不 足 [6]。吳 晨 曦 、 蔣 嶸 提 出 了 PLC-伺 服 系 統(tǒng) 進 行 位 置 控 制 的 結 構 原 理 ,分 析 了 各 環(huán) 節(jié) 的作用。 并通 過 以兩軸聯(lián)動控制為例， 給出了軟硬件設計 、 實現(xiàn)方法及部分應用 程序; 通過實驗結果表明,該系統(tǒng)擁有結構簡單、控制方便、精準定位和響應迅速 等 特 點 ,能 夠 滿 足 位 置 控 制 的 性 能 要 求 ,可 以 進 行 廣 泛 推 廣 ， 有 實 用 價 值 [7]。2010 年青島大學徐世宏等人設計了自動剪切生產(chǎn)線的 PLC 控制系統(tǒng),主要研 究 了 自 動 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 計 其 控 制 系 統(tǒng)、 根據(jù)生產(chǎn)工藝要求, 設計控制程序, 包括觸摸屏畫面和 PLC 程序， 經(jīng)過實驗驗 證 新 設 計 的 自 動 剪 切 生 產(chǎn) 線 能 夠 滿 足 生 產(chǎn) 需 求 并 提 高 效 率 [8]。2011 年華中科技大學彭濤通過 PLC 控制實現(xiàn)脈沖磁體繞線機伺服電機控制 系 統(tǒng) 的 開 發(fā) 。 首 先 通 過 研 究 綜 述 對 繞 線 機 技 術 的 進 行 討 論 。 然 后 分 析 了 PLC 的 原 理 及 特 點 ， 并 設 計 PLC 程 序 進 行 對 繞 線 機 控 制 系 統(tǒng) 的 控 制 ； 通 過 分 析 步 進 電 機和交流伺服電機的原理和特點， 選擇交流伺服電機并運用在新系統(tǒng)中； 研究脈 沖 磁 體 繞線 過程 ,并結 合實 驗室 原 先的脈 沖磁 體繞 線機 性能 。 比較 分 析出原 有設 備 在 繞 線 過 程 中 存 在 的 不 足 ;提 出 了 問 題 并 設 計 了 新 繞 線 機 系 統(tǒng) 。 實 驗 結 果 表 明 新 系 統(tǒng) 滿 足 所 需 性 能 要 求 [9]。1.2.2 國外現(xiàn)狀2011 年 Aasness, Lance 在《Snack Food & Wholesale Bakery》 上 發(fā) 表 了 一 個 關于伺服泵填料設計的論文， 他們的實驗使灌裝技術有了一個質(zhì)的飛越。 該設計 在控制技術上的進步，推動了成本降低，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 關于驅(qū)動分配系統(tǒng)的論文。 該論文主要研究在粘合劑分配系統(tǒng)中的應用。 可編程 邏輯控制器（PLC ）與伺服驅(qū)動控制系統(tǒng)的結合加快流體運動與分配。2013 年 Gurney, Michael 在 《 InTech》 上 發(fā) 表 了 一 偏 通 過 PLC 伺 服 控 制 系4統(tǒng)改造原有控制系統(tǒng)延長了舊貼標機的壽命，并且提高了吞吐量 25%。 美國內(nèi)華達州-里諾大學的 A.M.Graham 通過研究 PLC 實施模糊控制策略，通過 PID 算 法 控 制 系 統(tǒng) 誤 差 ， 并 對 11MW 汽 輪 機 的 轉(zhuǎn) 速 調(diào) 節(jié) 器 進 行 了 仿 真 。 實 驗記過證明了 PLC 能夠控制小型汽輪機，該實驗拓展了 PLC 的利用水平 [10]。意大利葛氏巴利尼機械制造股份公司研制的閘式剪板系統(tǒng)， 結合 PLC 控制，并有著優(yōu)異的強度、 剛度和精度保持性； 結合集成式液壓系統(tǒng)伺服驅(qū)動， 極大地 提 高 了 機 床 運 行 的 可 靠 性 。 兩 者 結 合 有 效 的 提 高 了 設 備 的 自 動 化 程 度 [11]。1.3 本 課 題 研 究 任 務 及 目 標PLC 伺 服 系 統(tǒng) 的 內(nèi) 容 十 分 豐 富 ， 應 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)時所涉及的接線、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 和 未 來 發(fā) 展 趨勢，并對本文的研究背景和主要研究內(nèi)容進行了闡述。 論文第二章主要伺服控制系統(tǒng)的組成結構、 工作原理、 控制原理及數(shù)學模型。伺 服 系 統(tǒng) 是 PLC 伺 服 控 制 中 的 基 礎 和 關 鍵 。 因 此 ， 本 章 節(jié) 研 究 了 交 流 伺 服 電 機 的結構、 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)動器是伺服 電機的控制器， 因此分析完伺服電機后， 研究了伺服驅(qū)動器的選型、 電路設計及 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 行 PLC 選型及硬件 線 路 圖 設 計 。 討 論 了 PLC 控 制 伺 服 系 統(tǒng) 的 方 法 。 并 設 計 了 伺 服 電 機 速 度 及 位 置 控制等案例，進行 PLC 編程，實現(xiàn)了速度及位置控制。論文第四章針對系統(tǒng)存在的穩(wěn)態(tài)誤差， 研究了 PID 算法并代入 PLC 程序中， 并對結果進行了分析。第五章進行了人機界面設計 ， 實現(xiàn)通過上位機進行電機速度及位置控制 ， 并 進行了實驗調(diào)試及誤差分析。第六章對論文提出總結與展望。52 伺 服 電 機 的 控 制 原 理2.1 伺服電機概述伺服電動機是指在伺服系統(tǒng)中作為驅(qū)動元件的發(fā)動機， 能夠滿足任務所需求 的控制精度、 快速響應性和抗干擾性的電動機。 伺服電動機分為直流與交流兩種。在市場上 ， 長期以來占主導地位的是應用直流電動機調(diào)速系統(tǒng) 。 但直流電動 機存在一些固有缺點， 如電刷和換向器容易磨損并且換向器會產(chǎn)生火花使速度受 到限制。 然而交流伺服電機不存在以上問題， 且在同體積的情況下， 交流電機輸 出功率比直流電機高出 10%~70%。因此現(xiàn)代數(shù)控機床及其他高精度設備都傾向 采用交流伺服驅(qū)動，其中永磁交流同步電機備受青睞。2.2 交流伺服電機數(shù)據(jù)模型分析2.2.1 交流電機原理 交流電機控制系統(tǒng)是以交流電動機作為執(zhí)行元件的速度、 轉(zhuǎn)矩或位置控制系統(tǒng) 的 總 稱 。 與 直 流 電 機 相 比 ， 交 流 電 機 具 有 轉(zhuǎn) 速 高 、 功 率 大 、 結 構 簡 單 、 運 行 可 靠、 體積小、 價格低等一系列優(yōu)點。 但是從控制角度來說， 交流電機是比較復雜 的。圖 2.1 交 流 伺 服 電 機 原 理圖 2.1 為交流伺服電機的運行原理圖。 為了便于說明， 途中將實際電機的 “三 相整距離集中式繞組 ”以單匝線圈的形式進行表示由圖可見 ， 交流伺服電機的結 構相當于將質(zhì)量電機的定子與轉(zhuǎn)子進行了對調(diào) ， 當定子繞組通電后 ， 通過電繞組6上 電 磁 力 的 反 作 用 ， 使 得 轉(zhuǎn) 子 產(chǎn) 生 旋 轉(zhuǎn) [13]。 交流伺服電機以功率管的電子換向取代了直流電機的整流子與換向器， 保持了直流電機的優(yōu)點。 同時又避免了換向器帶來的制造、 維修等問題， 改善了電機 的散熱效果，它兼有直流電機與交流電機兩者的優(yōu)點。這種電機不僅有響應快、 控制精度高、調(diào)速范圍大和轉(zhuǎn)矩控制方便等優(yōu)點。并且使用壽命長、維修方便、 運行可靠性高、控制簡單。2.2.2 交流永磁電機矢量控制原理 交流永磁同步電機采用正弦波的供電方式，其運行平穩(wěn)，動、靜態(tài)特性好。它能夠消除方波電力突變帶來的轉(zhuǎn)矩脈動， 但控制也比無刷直流電機復雜需要采 用矢量控制技術。交流永磁同步電機的矢量控制的數(shù)學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將定子坐標系中的兩相蒸餃電流轉(zhuǎn)化到轉(zhuǎn)子坐標系上。④在轉(zhuǎn)子坐標系中建立定子電壓平衡方程。⑤根據(jù)轉(zhuǎn)子磁場與定子電流的正交分量建立電機的運行方式。 定子電流的合成過程如下： 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 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定子電流變化過程如下：(2-2)定子電流與轉(zhuǎn)子磁場在電機中都是空間旋轉(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 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 矢 量 圖可以得到定子電流矢量轉(zhuǎn)化到轉(zhuǎn)子磁鏈矢量 d-q 坐標中的表達式為：ia ??is cos ?ib ??is sin ?id ??ia cos ???ib sin ?iq ??ib cos ???ib sin ?(2-3)接下來需要建立定子電壓平衡方程， 需要在 d-q 坐標中分界磁鏈， 進過計算 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 在 旋 轉(zhuǎn) 過 程 中 式 中 有 ??-????/ 2 ， 即 電 機 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 我 就 可 以 得 到 永 磁 同 步 電 機 的 運 行 方 程。ud ???L?iq電機運行方程： 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)控制的特點是在移動部件上安裝了之間位置檢測裝置， 它可以檢測系統(tǒng)最終控制對象的實際速度與位置 ， 并與指令值進行比較后構成閉環(huán) ， 從而實 現(xiàn)移動部件的精確運動和定位，系統(tǒng)構圖如圖 2.3。圖 2.3 閉 環(huán) 驅(qū) 動 系 統(tǒng) 組 成 原 理 圖其中速度及位置控制器的數(shù)學分析模型如下：（1）速度控制器設計速度* 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 對伺服系統(tǒng)中常見的 PI 速度控制器的設計方法進行說明。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 中伺服電機的轉(zhuǎn)矩 KT 和轉(zhuǎn)動慣量 J 已 知，并認為系統(tǒng)交叉角頻率 ?c 已設定好，在這個情況下速度控制器的增益值是G9G (sscsciqiqsscsc可以計算得到的， 但是會比較麻煩。 這里推薦利用速度控制系統(tǒng)開環(huán)傳遞函數(shù)頻 率特性的建議設計方法 [14]。PI 速度控制系統(tǒng)的開環(huán)函數(shù)：0 ) ??(Ksp ? Ksi )1 KT （ 2-7）s Tcq s ?1 JsG0 (s) 的直線近似頻率特性如圖 2.5 所示。同時，其所包含的三個傳遞函數(shù) 頻率特性也在圖中用虛線表示出來。 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 PI 轉(zhuǎn)折點角頻率 ?pi 為:?pi ??Ksi / Ksp （ 2-8）當 ?pi 為 ?sc 數(shù)分之一時， ?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 環(huán) 頻 率 特 性通過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 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 時的 PI 速度控制系統(tǒng)的階躍響應如圖 2.6 所示。可以看 出如果把內(nèi)換的 iq 控制的 ?c 在 ?c 5 倍以上時就可以忽略 iq 控制系統(tǒng)對速度系統(tǒng)響應的影響，此時可以認為 Teq =0。?rm /?*1.251.000.750.500.2500.01 0.02 0.03時 間 /s圖 2.6 PI 速 度 控 制 系 統(tǒng) 的 階 躍 響 應（2）位置控制器設計圖 2.7 位 置 控 制 系 統(tǒng) 構 成 框 圖如圖 2.7 可 見 位 置 控 制 系 統(tǒng) 構 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 有 電 流 控 制 環(huán) ， 在 這 里 忽 略 不 計 ， 認 為 其 閉 環(huán) 傳 遞 函 數(shù) 為 1。 此 時 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 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，計算出位置控制系統(tǒng)的階躍響應如圖 2.8 所示。?rm /?*1.0（ ?p ??50rad / s?sc ??100rad /?sc ??150rad /?sc ??250rad /?sc ??500rad /?sc ???0時 間 /s圖 2.8 位 置 控 制 系 統(tǒng) 的 階 躍 響 應0.1122.3 伺 服 驅(qū) 動 器 選 型 及 接 線交流伺服伺服系統(tǒng)主回路設計主要是根據(jù)選定的伺服電機規(guī)格， 進行伺服驅(qū) 動器以及主回路配套件的型號規(guī)格選擇。伺服驅(qū)動器的選擇應根據(jù)伺服電機規(guī)格進行選擇。 目前， 通用型交流伺服驅(qū) 動器通常有通用接口與總線接口型兩種。 根據(jù)實驗類型 ， 選擇三菱 MR-J3-A 系列。表 2.1 系 列 驅(qū) 動 器 配 套 附 件驅(qū)動器 型號 MR-J3電壓等級 直 流 電 抗 器交 流 電 抗 器濾 波 器零 相 電 抗 器外 置 式 制 動器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控制電機功率 50w~55kwPWM 形式 正弦波 PWM控制方式 矢量控制控制類型 位置、速度、轉(zhuǎn)矩位置給定輸入形式 SSCNET 高速總線（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 開路輸入)位置測量系統(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（Hz） 900伺服電機最高轉(zhuǎn)速（r /min） 6000最大負載慣量比 30MR-J3 系列電源/驅(qū)動一體型驅(qū)動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)動器的主電源連接需要注意如下問題：14①輸入電源必須連接到端子 L1/L2/L3 上， 切不可連接到電機點數(shù)連接端 U/V/W。②當驅(qū)動器使用直流電抗器時， 應斷開短接端 P1 與 P2， 并將直流點看起串聯(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對于使用內(nèi)置式制動電阻的驅(qū)動器，必須保留 P 與 D 間的短接端。MR-J3 系列驅(qū)動器的控制方式可通過基本參數(shù) PA01 的設定選擇，控制方式 分為“基本控制”與“可切換控制”兩類。作 為 一 般 應 用 ， 驅(qū) 動 器 通 常 直 接 選 擇 獨 立 的 位 置 控 制 、 速 度 控 制 、 轉(zhuǎn) 矩 控 制 三 種 基 本 方 式 。 當 控 制 方 式 要 求 隨 對 象 改 變 時 ， 可 通 過 參 數(shù) PA01 的 設 定 ， 利 用 驅(qū) 動 器 DI 信 號 LOP 進 行 控 制 方 式 的 切 換 ； LOP 信 號 OFF， 驅(qū) 動 器 選 擇 第 一 種 控 制 方 式 ； LOP 信號 ON，則選擇第二種控制方式。153 PLC 伺 服 控 制PLC 在工業(yè)控制中應用十分廣泛， 具有編程簡單、 操作方便、 功能強的特點。 常見的用途有模擬量控制和開關量控制。 一般情況下， PLC 是用來與上位機進行 通 訊 。 然 而 在 PLC 通 訊 擴 展 口 插 入 通 訊 功 能 板 塊 后 ， 可 以 方 便 的 實 現(xiàn) PLC 與其 他設備的數(shù)據(jù)傳輸使 PLC 的使用范圍進一步擴大。例如本課題中使用的 MR-J3 型伺服驅(qū)動器與 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， 屬于 無觸點原件， 它可以用來通過基極電流來控制幾點幾與發(fā)射極的導通。 相比較于 繼電器輸出， 晶體管輸出電路形式響應較快速度在 0.2ms 以下， 因此比起繼電器 晶體管的壽命沒有限制，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)結構圖如下圖 3.1 所示。圖 3.1PLC 與伺服系統(tǒng)結構圖PLC 在系統(tǒng)中， 可以成為網(wǎng)絡主站， 因其是有數(shù)據(jù)交換控制權的設備。 而像 伺服驅(qū)動器這樣的設備， 只能接受與執(zhí)行網(wǎng)絡控制命的成為網(wǎng)絡從站。 網(wǎng)絡設備 之間通過通信電纜連接即網(wǎng)絡中線連接。 主站可以對多個從站進行通信控制。 因 此 在 本 課 題 中 ， PLC 為 主 站 控 制 從 站 MR-J3 伺 服 驅(qū) 動 器 。 采 用 的 是 RS-485 總 線與伺服驅(qū)動器通信，完成對他們的控制命令寫入和實時讀取功能。PC PLC 伺 服 控制器 編 碼 器 伺 服 電 機16OM3.2 點 動 及 定 位 控 制 設 計點動控制要求伺服電機在收到脈沖信號后根據(jù)脈沖方向轉(zhuǎn)動一定角度。 而定 位控制要求是輸入一定的脈沖數(shù)轉(zhuǎn)了所預期的圈數(shù)， 并且根據(jù)伺服電機的電子齒 輪值與編碼器分辨率可以推導出輸入脈沖數(shù)相當于電機轉(zhuǎn)了多少轉(zhuǎn)。 由此可見點 動 控 制 和 定 位 控 制 十 分 相 似 并 且 在 PLC 與 伺 服 驅(qū) 動 器 的 連 線 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S/S控 制 屏 面 COM K0 EM2 強 制 停 止SON 伺 服 開 啟RES 復位-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 位置控制模式連線圖 在線路連接完成后 ， 需要進行伺服驅(qū)動器的參數(shù)設定 ， 需要將伺服驅(qū)動器調(diào)整在位置控制模式之下。 位置控制模式下， 伺服電機收到正負極脈沖后， 會進行CK317正反轉(zhuǎn)并且會根據(jù)收到的脈沖數(shù)進行轉(zhuǎn)動， 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 極 性 脈 沖 +方 向 輸 入此時可以在上位機 PC 端的 PLC 編程軟件 GX-DEVELOPER 中編譯程序并 寫入 PLC 中，點動梯形圖如圖 3.5 所示，定位控制梯形圖如 3.6 所示。圖 3.5 點動梯形圖在 X0 上升沿按下點動按鈕使 Y0 置位， 在 X0 下降沿按下松開按鈕使 Y0 復 位，由此完成伺服電機的點動過程。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 計速 度 控 制 原 理 上 與 定 位 控 制 相 差 不 多 。 當 伺 服 驅(qū) 動 器 在 位 置 控 制 模 式 下 ， 可 以不修改連線方式，繼續(xù)連線如圖 3.2 所示。此時，設計僅需將圖 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。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現(xiàn)速度控制，并且由于 正負脈沖的不同可以控制電機進行正反轉(zhuǎn)動。速度多段控制設計需要將 PLC 與伺服驅(qū)動的連線圖進行更改如圖 3.8 所示。19圖 3.8 速度模式下硬件連線 連 線 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 關 送 到 伺 服驅(qū)動器的 L11、 L12 端， 因而伺服驅(qū)動器內(nèi)部控制電路開始工作， ALM 端變?yōu)?ON， VDD 輸出電流經(jīng)繼電器 RA 線圈進入 ALM 端 ， 電 磁 制 動 器 外 接 RA 觸 點 閉 合 ， 制 動 器線圈得電使抱閘松開， 停止對伺服電動機制動， 同時驅(qū)動器啟停保護電路中的 RA 觸點也閉合， 如果這是按下 ON 觸點， 接觸器 MC 線圈得電， MC 自鎖觸點閉合， 鎖定 MC 線圈供電，另外 MC 觸點也閉合，220V 電源送到伺服驅(qū)動器 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 按 鈕 后 ， 在 0~5s 內(nèi) 停 止 轉(zhuǎn) 動 ， 在 5~15s 內(nèi) 以 1000r/min 速 度 轉(zhuǎn) 動 ， 在 15~21s 內(nèi) 以 800r/min 速度轉(zhuǎn)動， 在 21~30s 內(nèi)以 1500r/min 速度轉(zhuǎn)動， 在 30~40s 內(nèi)以 300r/mi 速度轉(zhuǎn)動，在 40~48s 內(nèi)以 900r/mins 的速度反向轉(zhuǎn)動，48s 后重復上述過程。若 在運行過程中按下停止按鈕， 則要求運行完當前周期后再停止。 由一種速度轉(zhuǎn)為 下一種速度時的加減速度時間都為 1S。20速 度 （ r/min）15001000800300100005 15 21 30 40 48 53 63-900時 間 （ s）圖 3.9 伺服電機多段速度的速度曲線 將 伺 服 驅(qū) 動 器 設 置參 數(shù) PA01 將 數(shù) 值 修 改 成 1002 使 電 機 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 初始值 設置值 說明PA01 控制模式選擇 0000 1002 設置成速度控制模式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 加速時間常數(shù) 0 1000 1000msPC07 減速時間常數(shù) 0 1000 1000msPD01 用于設定 SON、 LSP、 0000 0111 SON、 LSP、 LSN 內(nèi)部自動 置LSN 的自動置 ON ONPD03 輸入信號選擇 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 程序運行，按設定時間從 Y003~Y001 端輸出速度選擇信號21到伺服驅(qū)動器 SP3~SP1 端，從 Y004、Y005 端輸出正 /反轉(zhuǎn)控制信號到伺服驅(qū)動 器的 ST1、ST2 端，選擇伺服驅(qū)動器中已設置好的 6 種速度。表 3-2 ST1、 ST2、 SP3~SP1 端 的 控 制 信 號 與 伺 服 驅(qū) 動 器 的 速 度 對 應 關 系ST1(Y004) ST2(Y005) SP3(Y003) SP2(Y002) SP1(Y001) 對應速度0 0 0 0 0 電機停止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)動器的參數(shù)修改完成后，進行 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 觸點接通一個掃描周期狀態(tài)繼電器 S0 置 位，S0 常開觸點閉合。停止控制。圖 3.11 速 度 多 段 控 制 程 序 2如圖 3.11 所 示 啟 動 控 制 ； 停 止 控 制 時 ， M0 敞開觸點閉合，使 Y001~Y00522輸出為 0ff， 同 時 Y000 輸出為 ON，對伺服驅(qū)動器復位。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 器 ， 按 速 度 1 驅(qū) 動 電 機 運 行 ， 同 時 開 始 計 時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 器 ， 按 速 度 2 驅(qū) 動 電 機 運 行 ， 同 時 開 始 計 時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)動器， 按速度 3 驅(qū)動電機運行， 同時開始計時 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)動器， 按速度 4 驅(qū)動電機運行， 同時開始計時 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 器 ， 按 速 度 5 驅(qū) 動 電 機 運 行 ， 同 時 開 始 計 時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)動器， 按速度 6 驅(qū)動電機運行， 同時開始計時 8s,8s 后若本周期進行停止控制， M0 常開觸點閉合 ， 執(zhí)行“ SET S0”， 進入再啟動狀態(tài)； 后若本周期未進行停止控制，M0 常開觸點斷開，M0 長閉觸點閉合，執(zhí)行“SET S20”， 進 入 下 一 個 周 期 。3.3 原 點 回 歸 控 制在執(zhí)行 DRVI 相對位置控制和 DRVA 絕對位置控制時 。 PLC 利用自身生產(chǎn)的 正脈沖或者反脈沖進行當前值得增減， 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 械 的 當 前 位 置 值 并 保 存 ， 但 當 PLC 斷電時就會消 失， 因此在上電和初始運行時， 必須執(zhí)行原點回歸， 將機械動作原點的位置數(shù)據(jù) 事先寫入，原點回歸指令如圖 3.18 所示。圖 3.18 DZRN 指令其中 K3000 表 示 原 點 回 歸 開 始 時 的 速 度 。 K500 指 爬 行 速 度 ， 即 指 定 近 點 信 號變?yōu)?ON 后的低速部分的速度。 X004 為指定近點信號輸入。 Y000 為脈沖輸出 起始地址。整體回歸原點順序如下圖 3.19 所示。25圖 3.19 原 點 回 歸 順 序 圖 結 合 實 際 工作 臺 如 圖 3.20， 并 設 計 PLC 梯 形 圖 如 圖 3.21 所 示 。圖 3.20 工 作 臺 示 意 圖圖 3.21 原 點 回 歸 程 序 圖工 作 臺 前 端 檢原 點 位 置初 始 位 置爬 行 速 度 原 點 回 歸 速 度