伺服运动控制系统及实验台设计论文文档格式.docx
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NanyangInstituteofTechnology
自动化专业
[摘要]本设计的主要内容为设计并制作伺服实验台。
以伺服电机及配套的驱动器，PLC和变频器为核心设备，实现各种控制要求，方便以后伺服及相关传动知识的学习。
采用台达DVP40EH00T2控制台达ASDA-AB驱动器及配套的伺服电机ECMA-C30602ES和台达VFD015M21A-Z变频器,能综合运用实验设备，实现伺服电机对异步电机的速度跟踪、正反转等功能，而PLC的输入采用普通的开关，和台达DOP-AE系类的触摸屏，并能通过触摸屏实现人机监控和控制功能。
实验设备间实现MODBUS网络构建，使PLC通过MODBUS协议和变频器、伺服驱动器进行通信。
[关键词]伺服电机；
伺服驱动器；
变频器；
旋转编码器；
可编程控制器
DesignofServoMotionControlSystemandExperimentTable
AutomationSpecialtyZHANGHong-bin
Abstract:
Thedesignisaimedtomakedesigningservoexperimentstable.Basedonthedevices,thesystemregardstheservomotorandmatchingasthecorecomponentsandachievingmanykindsofcontrolrequirement,ithelpstolearntheknowledgeofservoandtransmission.UsingDELTADVP40EH00T2controlsDELTAASDA-ABdriveandservomotorECMA-C30602ESandDELTAinverter,itcanachieveservomotorforasynchronousmotorspeedstrackandreversible.PLCinputcanbeanordinaryswitch,canbeappliedDELTA-AEdepartment.BuildingMODBUSnetworkandPLCcommunicateswithinverterandservomotordrivethroughMODBUSprotocol.
Keywords:
Servomotor；
servodrive；
inverter；
rotaryencoder；
programmablelogiccontroller
目录
1引言1
1.1课题研究背景及研究意义1
1.2课题研究的目的1
2设计硬件设备1
2.1伺服驱动器及配套的伺服电机1
2.1.1伺服驱动器的多种控制方法3
2.1.2伺服驱动器的周边装置接线图3
2.1.3伺服驱动器输入口功能及输入输出接线图4
2.1.4伺服驱动器位置（Pt）模式标准接线方法5
2.1.5伺服驱动器的调试6
2.1.6伺服驱动器输入/出功能的划分及参数的设定7
2.1.7PLC控制伺服的原理及相关应用7
2.2变频器8
2.2.1台达VFD-M变频器配线9
2.2.2变频器输入/出口功能划分及参数设置10
2.3可编程控制器PLC11
2.3.1台达DVP-40EHPLC的配线11
2.3.2台达DVP-40EHPLC输入输出口功能分配12
2.3.3台达DVP-40EHPLC的计数模式12
2.3.4PLC与编码器、伺服驱动器的连接13
2.4人机界面触摸屏14
2.5旋转编码器15
2.5.1AUTONICS增量编码器的安装及同轴连接器设计15
2.5.2AUTONICS编码器的配线16
2.5.3转速、方向的测量及计算方法16
2.6MODBUS通信连接17
2.6.1PLC与伺服驱动器的MODBUS连接17
2.6.2PLC与变频器的MODBUS连接17
3控制任务的实现18
3.1实验台的综合应用18
3.2供电电源的选择及线径的计算19
4实验结果及分析19
结束语20
参考文献21
附录一:
伺服实验台22
附录二:
伺服实验台布局图23
致谢24
1引言
1.1课题研究背景及研究意义
现代伺服控制系统技术融合了电机、计算机、电力电子、自动控制技术、精密机械、新材料和新科技等多种高新技术，是现代军事、工业自动化、办公自动化和家庭生活自动化等不可缺少的重要技术。
微控制技术、功率电子技术，材料技术和电机控制理论的发展使传动技术由直流传动逐步过渡到交流传动。
相应地，伺服技术的研究重点由直流伺服技术转向交流伺服技术。
伺服电机不同于一般的变频调速电机，它除了实现调速功能外，还要实现位置、加速度、转矩的控制，而且动态特性也常常高于一般的变频调速电机。
在新技术的推动下，它的应用几乎遍及社会的各个领域。
在国外伺服控制不仅发展起步早，并且技术水平高，伺服系统的运用非常的广泛。
但是我们国家的伺服控制系统的研究较国外晚一些，技术水平不高，主要体现在控制的精度上，随着国内经济的发展，国内设备对控制精度的要求越来越高，现成的控制系统仍有许多需要改进和完善的地方，因此要不断地改进和技术革新。
国内伺服系统的还有很大的市场空间，国内也出现了许多的伺服品牌如和利时、台达、华大等。
本次的伺服试验台主要完成的是通过变频器调节异步电机的转速，而伺服电机跟随异步电机的转速，并能够实现MODBUS网络通信。
主要是以完成自动化工程设计和安装调试设备为主要目的，同时设计中掌握的技术、程序、图纸等运用于以后的教学中，具有自动化工程实践教学的意义[1]。
1.2课题研究的目的
对于自动化专业，是自动化技术和设备的研究和应用的先行者，所以很多高校已经开始伺服控制技术的研制和学科建设。
而自主设计伺服控制实验装置则是具有教学研究性质的学科建设方式。
这次设计使自己对伺服控制系统的实现、变频系统的原理有了更深的了解，通过伺服控制系统的亲自设计和安装调试，发现学习过程中很多没有弄明白和没有注意到的问题，提高学习和事件能力。
设计中应用到的PLC、变频器、伺服驱动器、人机界面等设备，使对其有一定的了解，为以后的自动化道路奠定了基础[2]。
2设计硬件设备
2.1伺服驱动器及配套的伺服电机
伺服驱动器本身就是一个闭环控制系统，实现很高的控制精度。
它是一个三闭环控制系统，如图1所示，最里面的是一个电流环，次之为转速环，最外边的是位置环，电流环输出的PWM波控制驱动器主电路的门控位，实现转速的控制[3]。
图1伺服驱动的闭环控制机构图
交流伺服电机主要是由转子、定子和编码器三部分组成，如图2所示各部分的结构。
交流伺服电机的定子是一个永磁体，转子是一个三相绕组，其内通入三相交流电后，产生一个旋转磁场，其工作原理和普通的异步电机一样，在旋转磁场的作用下，转子和磁场同步旋转。
伺服电机的控制精度就是由编码器的线数即每圈发出的脉冲个数决定的。
图2伺服电机的内部结构
台达ADSA-AB系列为开放性伺服驱动器，驱动器利用精密的反馈控制，结合高速运算能力的数字信号处理器（DigitalSignalProcessor，DSP），控制IGBT产生精确的电流输出，用来驱动三相永磁式同步交流伺服电机（PMSM）达到精确定位。
ECMA系列伺服电机支持低、中、高三种惯量，可解决用户在不同扭力应用上的需求。
支持标准MODBUS通讯读写，可与台达PLC,HMI构成通讯控制架构。
本系列可适用于各种机械加工行业或产业机械。
多用于机械加工中心的刀库控制，分度装配系统、封口机、剪床机、送料机、雕刻机、车床、高速卷绕机、检测机、切割机、PCB点胶机、成型机等。
试验台选用型号为ASD-A0421-AB的伺服驱动器（额定输出功率为：
400W；
输入电压及相数：
220V单相；
编码器分辨率：
2500ppr；
支持ECMA电机机种）。
与驱动器配套的电机型号为ECMA-C30602ES,其额定电压及转速：
220V/3000rpm；
感应形式：
额定输出功率：
200W；
键槽无刹车无油封；
标准轴径。
2.1.1伺服驱动器的多种控制方法
通过伺服驱动器的控制伺服电机的方法有很多种。
（1）.直接通过伺服驱动器使其工作在试运转状态下，这种方法可以判断伺服驱动器的最简单的外部接线是否正确，但是试运转状态下，其功能就非常简单。
（2）.通过外接一个电位器即模拟量方法控制伺服电机。
（3）.可以通过伺服驱动器配的专用的伺服软件进行控制，根据伺服软件的功能可以实现不同的控制。
台达ASDA-AB驱动器的伺服软件ASDASoft，可以在线更改参数，观察电机的运转状态等。
（4）.用触摸屏控制伺服电机，也可以用触摸屏软件在线控制，但是软件必须有驱动器的驱动程序。
（5）.最常用的还是PLC控制，本次设计采用的就是台达PLC输出口一个作为脉冲输出控制，一个作为电机的方向控制，来实现对伺服电机的控制。
（6）.采用通讯方式进行控制，本次设计实现了PLC与变频器、伺服驱动器的MODBUS通信，可以大大减少系统开关开关量的使用[4]。
2.1.2伺服驱动器的周边装置接线图
对于图3电源口L1、L2为控制回路电源输入端，R、S、T为主回路电源输入端，电源接线法分为单相220V、单相110V、三相220V三种接法，设计中采用的是单相220V,安装时应该特别注意R、S、T与L1、L2电源口的接法是否正确，如果选择的接法错误，驱动器将会被烧坏。
确认伺服电机的U、V、W是否会接错，接错的话会出现不转或者乱转的情况，设计中伺服电机的三相输入缺少了一相，使驱动器一直出现ALE11报警，故障排除后驱动器的报警也消除了。
伺服驱动器的CN2口为伺服电机的编码器输出口，编号U、V、W口为伺服电机动力线接口。
CN1口为伺服驱动器的控制端口，它总共50针，包括输入和输出端口还有其它的功能口，端口功能划分如图4所示。
伺服驱动器的通讯端口为CN3口，CN3口采用的是1394接头，通过不同的连接方法实现伺服器的RS232/422/485通讯，可以方便与PLC、电脑连接实现通讯监控功能[5]。
图3伺服驱动器的周边接线图
2.1.3伺服驱动器输入口功能及输入输出接线图
为了更有弹性与上位控制器互相沟通，台达伺服驱动器提供可任意规划的5组输出及8组输入。
控制器的输入与输出口功能可以分别由参数P2-10—P2-17与参数P2-18—P2-22进行规划。
由于CN1口为50引脚，引脚数比较多如图4所示，对于引脚的记忆应该功能块记忆，分功能记忆。
脉冲输入引脚PULSE、/PULSE、SIGN、/SIGN、PULLHI，电源引脚VDD、COM+、COM-、VCC、GND。
注意NC为空引脚，为内部电路使用，勿连接。
图4CN1接线器（公）背面接线端
驱动器的输入输出口供电都可以采用内部电源供电或者外部电源供电，本次设计输入口采用的内部24V供电，输出口采用外部的24V供电。
输入、输出的电路如图5所示。
在对输入或输出口接线时应该注意不能将内部电源和外部电源同时供电，否则会烧坏输入或输出口电路。
图5输入、输出口接线图
2.1.4伺服驱动器位置（Pt）模式标准接线方法
伺服驱动器提供了位置、速度、扭矩三种基本操作模式，其可使用单一控制模式，即固定在一种模式控制，也可选择用混合模式来进行控制[6]。
将其分为三类模式如表1。
表1伺服驱动器的6种模式
位置脉冲模式
脉冲模式
模拟量转速模式模拟量转矩模式
模拟量模式
内部寄存器速度模式内部寄存位置器模式
内部寄存器转矩模式
开关量模式
设计要求实现伺服电机对异步电机的速度跟踪，由于PLC没有配模拟量模块，设计只能采用位置脉冲模式，实现设计要求，位置脉冲模式（Pt）的标准接线法如图6所示。
虽然图6是位置脉冲模式的标准接线方法，但是我们必须根据具体的设计要求，结合图6的标准接线方法，进行要求的接线，设计中对于速度的跟踪采用的是位置模式，伺服驱动器脉冲接受的形式为脉冲加方向控制。
CN1口为开放性口，输入和输出功能可以根据实际要求，参照功能码参数表，可一对输入和输出口的按照设计的要求进行划分，非常的方便。
设计中速度的跟踪最简单的方法是在伺服驱动的位置模式下，将编码器的A、B相输入直接接到伺服驱动器口，不用PLC的运算，驱动器的脉冲形式选择AB相脉冲形式。
图6位置（Pt）模式的标准接线法
2.1.5伺服驱动器的调试
伺服系统的构建时，需要对伺服驱动器进行相应的运行前的调试，为系统的真正运行做好准备工作。
空载JOG测试，这是伺服电机运行的最简单系统，驱动器也不需要额外的配线，可以有效的检查电源、伺服电机的连接是否有误，将驱动器参数P2-30设置为1（强制SEVROON）,设定参数P4-05为寸动速度（单位：
r/min），将欲寸动速度设定后，按下SET键,进入JOG模式，UP、DOWN键进行正反转控制。
这也是为系统的真正调试做准备。
强制数字输出测试，设定参数P4-06，通过UP、DOWN键依次强制伺服驱动器的输出口输出，可以判断伺服输出口的接线电路是否正确。
数字输入诊断，设定参数P4-07后，外部的输入信号，会显示于驱动器的面板显示器上，由此判断输入口的接线电路是否正确。
2.1.6伺服驱动器输入/出功能的划分及参数的设定
设计中试验台为伺服驱动器分配了4个扭子开关和一个按钮开关，4个扭子开关功能分别为伺服启动、内部位置命令选择0、内部位置命令选择1、内部位置命令选择2，按钮的功能作为触发信号的给定。
启动开关可以工作在任意模式下，而另外的3个扭子开关和按钮是工作在开关位置模式（Pt）下。
输出口分配了2个24V指示灯，分别作为伺服启动指示（绿灯），伺服警示（红灯）。
具体的参数设定如表2所示。
表2伺服驱动器参数的设定
参数
功能码
说明
P1-00
02
伺服驱动器接受的外部脉冲形式
位置脉冲模式时必要设定
P1-01
00
工作模式的选择
P2-10
01
伺服启动
扭子开关1
P2-11
11
位置指令0
扭子开关2
P2-12
12
位置指令1
扭子开关3
P2-13
13
位置指令2
扭子开关4
08
触发（CTRG）
按钮1
P2-18
07
伺服报警
24V红灯
P2-19
24V绿灯
设计中要求实现速度的跟踪，在脉冲位置模式下在，只用到了扭子开关1，其它的开关是在开关位置模式（Pr）下才有效的，是为了对伺服驱动器的开关模式由更深的理解。
参数P1-00和P1-01是本次设计中的两个至关重要的参数，根据伺服驱动器接受的脉冲形式图7选择功能码，P1-01是选择伺服的工作模式，速度的跟踪，选择的功能码00，位置脉冲（Pt）模式[7]。
2.1.7PLC控制伺服的原理及相关应用
伺服驱动器的位置脉冲（Pt）模式，是通过脉冲的频率决定电机的转速，脉冲的个数决定电机转动的圈数，其对速度和位置都有严格的控制，一般用于定位控制。
PLC根据控制要求发出一定频率和个数的脉冲实现位置的精确定位。
伺服驱动器在位置脉冲模式下脉冲接受形式如图7所示。
三种脉冲形式最方便的是脉冲和方向控制，这也是本次设计中采用的方法，正负脉冲的形式也相对简单，伺服的一个脉冲口为正方向的脉冲输入口，另一个就为负方向控制口，采用AB相脉冲的话，可以直接和编码器进行连接，因为编码器发出的AB相脉冲，这样可以减少PLC这一环节，在实际设计中减少了设备的成本[8]。
图7脉冲信号的形式
设计中伺服电机对异步电机转速的跟踪，驱动器采用的是脉冲+符号的形式，脉冲令的电源由驱动器自带的24V电源提供，PLC一个输出口发出脉冲信号，采用的是开基极的方式，伺服驱动器最大输入脉冲为200Kps，另一个输出口为正反转控制信号。
其连接示意图如图8所示。
图8PLC与驱动器的脉冲连接示意图
2.2变频器
在电力电子器件的基础之上，随着计算机技术和控制理论的发展，变频器有了很大的发展。
异步电机的转速为n=（1-s）*60f/P，s为转差率，f交流电的频率，P电机的极数，由公式可以看出异步电机的转速调节方法有：
（1）.变极调速，通过改变电机绕组的接线方式，使电机从一个极对数变为另一极对数。
（2）.改变转差率调速，对于绕线式异步电机，可通过调节串联在转子绕组中的电阻值，实现电机的无极调速。
（3）.变频调速，通过调节供电频率来改变同步转速来实现对异步电机的调速，在调速过程中从高速到低速都可以保持有限的转差率，因而具有高效率、宽范围和高精度的调速性能。
变频调速是异步电机的一种非常合理和理想的调速方式。
台达VFD系列的变频器种类很多，设计中选用的是M系列的变频器，其具有体积小，噪音低，具有第一、第二频率切换、睡眠和苏醒功能，支持MODBUS通讯、8段速和七段可程式运转，内置PID功能。
型号为VFD007M23A,最大适用马达7.5KW,输入电压为230V3-PHASE[9]。
2.2.1台达VFD-M变频器配线
设计中为实验面板为变频器分配了5个扭子开关和2个24V的红、绿指示灯各一个。
变频器主回路R、S接单相220V和U、V、W接电机的三相输入端，此型号的变频器是将单相电转化为频率可调的三相电。
5个输入端口的功能分别为正转/停止、反转/停止、多段速指令1、多段速指令2、可程序自动运行。
多功能输出接点RA（常开）、RB（常闭）用于变频器运行指示。
还有一个光耦合输出接点Mo1作为运行故障指示，具体的连接图如图9所示。
试验台各设备间实现了MODBUS通讯功能，变频器的配备了一个RJ11通讯口，和常用的电话机的借口是相同的。
但应该注意切勿将1端和5端接入通讯口，它提供的是15V电源供数字显示器使用。
图9变频器的功能配线图
2.2.2变频器输入/出口功能划分及参数设置
根据图9变频器输入端子和输出端子的功能的划分，变频器的必要参数设置如表3。
表3变频器参数的设定
设定值
功能
扭子开关
P00
04
主频率由数字操作器上的V.R.控制
P01
运转指令由外部端子控制，键盘STOP有效
P38
M0：
正转/停止，M1：
反转/停止
1、2
P39
06
多段速指令1
3
P40
多段速指令2
4
P41
16
可程序自动运转
5
P45
故障指示（Mo1、MCM）
P46
运转中指示（RA、RC）
VFD-M变频器提供了3个多段指令，由3个开关控制，可以实现7段速，设计中我们用了2个多段速指令，可以实现3段速，参数P17-P23为7段速的频率，单位为0.1Hz。
对于按钮5实现的可程序自动运转，此功能可以作为小型机械、食品加工机械、洗涤设备的运转控制。
可以取代一些传统的继电器、开关、定时器等控制线路，但是此功能根据控制要求设定的参数很多，每个细节都不能有误，其参数设定过程如下。
（1）.P17-P23设定七段速指令，分别为10Hz、15Hz、20Hz、25Hz、17Hz.10Hz、30Hz。
（2）.确定按钮功能，P41（扭子开关5）参数为16。
（3）.确定输出功能。
（4）.P78简易PLC运转模式选择，参数设定为01，运行一周后自动停止。
（5）.P78设定每段的运转方向。
（6）.P81-P87每段运行时间的设定。
对于变频器和PLC的MODBUS通信，实际的连线很简单，只需将变频器的RJ11口的3针（SG-）接到PLC的RS485通讯口的B-，4针（SG+）接到PLC的RS485通讯口的A+。
变频器的通讯参数设置也很简单[10]。
表4变频器MODBUS通讯参数设置
设置值
03
主频率输入由串行通信控制（RS485）
运转指令由通讯控制，键盘STOP有效
P88
变频器的通讯地址为01
P89
数据的传输速度为9600bit/s
P92
设定通讯格式为RTU格式<
8,E,1>
2.3可编程控制器PLC
可编程控制器也叫工控机，（即：
工业控制计算机）是家庭计算机的上位计算机，也叫PLC机。
PLC是一种数字操作系统，专为工业环境而设计的。
目前，PLC在国内外已广泛应用于钢铁、石油、化工、电力、建材、机械制造、汽车、轻纺、交通运输、环保及文化娱乐等各个行业。
按输出接线分PLC有继电器输出、晶闸管输出、晶体管输出3种形式。
设计要求进行伺服控制，选用台达EH2（晶体管）PLC[11]。
DVP-40EHOOT2系列为高速精密定位主机；
主机点数：
40,输入32点输出16点；
程序容量：
16KSteps；
指令执行速度：
0.24"
S（基本指令）；
通讯端口：
内置RS－232与RS－485，兼容MODBUSASCII/RTU通讯协议；
高速脉冲输出：
CH0（Y0、Y1）、CH1（Y2、Y3）、CH2（Y4）、CH3（Y6）；
内置四组硬件高速计数器；
应用范围：
高速三轴伺服焊接机﹑高速裁板机﹑棒材送料机﹑生产线分散监控系统等。
2.3.1台达DVP-40EHPLC的配线
DVP-EH系列的PLC采用的交流220V供电，接于PLC的L、N端，但注意勿将供电电源接于PLC的24V电源口和输入口，否则会造成PLC的严重损坏。
供电电源电路原理图如图10。
图10供电电源电路原理图
PLC的S/S端非常重要，其为共享电源端，可以作为共享输入或共享输出口（与输入口试一个双向的发光二极管），设计中采用的是共享输入口，将24V接于S/S端，如图10所示。
这样PLC的输入端就共阳，这样PLC的输入端就可以提供NPN器件的输入，实验台上的光电开关、接近开关都属于NPN晶体管输出，这样方便这些传感器的使用。
DVP系列的PLC输出模式共有两种，继电器（R）和晶体管（T）,设计中要求输出频率很高，选用的晶体管输出，晶体管
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