伺服运动控制分解.docx
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伺服运动控制分解
1.课程设计内容和任务要求
1.1设计内容
（1）正确编写PLC程序，能够实现伺服电机的跟随控制
（2）用人界面监控实现伺服电机正反转的控制
1.2任务要求
（1）熟悉课程设计内容，收集资料，详细阅读各设备说明书；
（2）总体设计，正确选定系统方案，认真画出系统总体结构框图；
（3）系统各部分的硬件设计；
（4）绘制系统硬件原理图（接线图）；
（5）编写系统控制程序；
（6）设计系统监控界面；
（7）完成系统测试，并整理编写课程设计说明书
2.课程设计涉及到的硬件设备
2.1台达伺服驱动器（ASD-A0421-AB）的功能介绍
本次课程设计选用型号为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：
1000ppr；支持ECMA电机机种）。
与驱动器配套的电机型号为ECMA-C30604ES,其额定电压及转速：
220V/3000rpm；感应形式：
2500ppr；额定输出功率：
200W。
2.1.1伺服驱动器的三种控制方式
一般伺服有三种控制方式：
速度控制方式，转矩控制方式，位置控制方式。
在控制方式上用脉冲串和方向信号实现。
速度控制和转矩控制都是用模拟量来控制的，位置控制是通过发脉冲来控制的。
具体采用什么样的控制方式要根据控制的需求，满足何种运动功能来选择。
就伺服驱动器的响应速度来看，转矩模式运算量最小，驱动器对控制信号的响应最快；位置模式运算量最大，驱动器对控制信号的响应最慢。
（1）转矩控制：
转矩控制方式是通过外部模拟量的输入或直接的地址的赋值来设定电机轴对外的输出转矩的大小，具体表现为，例如10V对应5NM的话，当外部模拟量设定为5V时电机轴输出为2.5NM，如果电机轴负载低于2.5NM时电机正转，外部负载等于2.5NM时电机不转，大于2.5NM时电机反转（通常在有重力负载的情况下产生）。
可以通过即时的改变模拟量的设定来改变设定的力矩大小，也可通过通讯方式改变对应的地址的数值来实现。
（2）速度模式：
通过模拟量的输入或脉冲的频率都可以进行转动速度的控制，在有上位控制装置的外环PID控制时速度模式也可以进行定位，但必须把电机的位置信号或直接负载的位置信号给上位反馈以做运算用。
位置模式也支持直接负载外环检测位置信号，此时的电机轴端的编码器只检测电机转速，位置信号就由直接的最终负载端的检测装置来提供了，这样的优点在于可以减少中间传动过程中的误差，增加了整个系统的定位精度。
（3）位置控制：
位置控制模式一般是通过外部输入的脉冲的频率来确定转动速度的大小，通过脉冲的个数来确定转动的角度，也有些伺服可以通过通讯方式直接对速度和位移进行赋值。
由于位置模式可以对速度和位置都有很严格的控制，所以一般应用于定位装置。
应用领域如数控机床、印刷机械等等。
本次课程设计就是通过设置P1-00为02，采用（3）位置控制模式。
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。
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。
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8组输入及5组输出。
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进行设置。
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
2.1.4伺服驱动器参数设定流程
2.1.5本次课程设计用到的伺服驱动器内部参数设定
驱动器内部参数设定如下表
P0-02
6
P2-12
114
P2-16
0
P1-00
2
P2-13
115
P2-17
0
P2-10
101
P2-14
102
P2-18
101
P2-11
104
P2-15
102
P2-19
103
2.2台达变频器（VFD015M21A-Z）的功能介绍
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VFD015M21A-Z,输入电压为220V。
本次课程设计采用的是变频调速，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。
2.2.1变频器数字操作器（LC-2ME）操作说明
信息显示操作
註：
若要以數字操作器設定頻率則參數P00需設為00
2.2.1变频器参数设定
变频器参数的设定
参数
设定值
功能
P00
00
主频率输入由数字操作器控制
P00
04
主频率由数字操作器上的V.R.控制
P01
00
运转指令由数字操作器控制
P01
01
运转指令由外部端子控制，键盘STOP有效
P01
02
运转指令由外部端子控制，键盘STOP无效
P38
00
M0：
正转/停止，M1：
反转/停止
P38
01
M0：
运转/停止，M1：
反转/正转
2.3台达PLC功能介绍
DVP-40EHOOT2系列为高速精密定位主机；主机点数：
40,输入24点输出16点；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）；本次设计用到输入x0、x1端子和输出y0、y1端子来完成本次课设要求
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2.3.1。
图2.3.1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（与输入口是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，如图所示。
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，晶体管输出原理图如图2.3.2。
EH2系列的PLC的晶体管输出有普通的晶体管输出还有高速晶体管输出，其中CH0（Y0、Y1）、CH1（Y2、Y3）、CH2（Y4）、CH3（Y6）为高速晶体管输出其输出频率可以达到200KHZ,其余的输出点都为一般晶体管输出口，其输出频率为10KHZ，晶体管输出的PLC与继电器PLC的最大区别就是其输出频率不同，也就决定了其应用的不同。
图2.3.2晶体管输出原理图
2.3.2台达DVP-40EHPLC输入输出口功能分配
设计中用到的PLC的输入输出口并不是很多，PLC对编码器的采集,编码器为增量型，其输出为A、B、Z三相，Z相为零脉冲检测线，主要用于电机转动圈数的计算，A相为脉冲检测的个数，B相和A相配合使用可检测出转动的方向，所以对于设计要求的异步电机的跟踪，只需用到A、B相将其接于PLC的XO、X1输入口。
伺服电机转速与方向控制，采用的是正逻辑的脉冲加方向控制，PLC输出口采用的是一组高速脉冲输出口CHO（X0、X1），X0作为脉冲输入口，X1作为方向控制（低电平为正转，高电平为反转）。
2.3.3PLC与编码器、伺服驱动器的连接
PLC相关硬件原理及设计要求的基本上了解之后，根据我们的控制要求，实现伺服电机对异步电机速度的跟踪，并对伺服电机进行正反转，调速控制等，结合伺服驱动器输入/输出和脉冲输入的电路接法最终确定PLC与编码器和伺服驱动器的接线图如图2.3.3所示。
图2.3.3PLC与编码器、伺服驱动器的连接
2.4旋转编码器
编码器是把角位移或直线位移转换成电信号的一种装置。
根据其刻度方法及信号的输出形式，可分为增量式、绝对式以及混合式三种。
增量式编码器是直接利用光电转换的原理输出三组方波脉冲A、B和Z相；A、B两组脉冲相位相差90度，Z相为没转一个脉冲，用于基准点的定位。
它的优点是原理结构简单，机械平均寿命可在几万小时以上，抗干扰能力很强，可靠性很高，适于长距离传输。
其缺点是无法输出轴转动的绝对信息。
而绝对式采用了二进制（格雷码）进行光电转换，其线数越多，精度就越高，能得出轴转动的绝对信息。
设计中试验台配的是AUTONICS的增量式编码器E40S6-100-3-2-24，E40系列分辨率为100ppr，供电电源12-24VDC,输出相数为A、B、Z三相，控制输出采用的是NPN极电极开路输出。
2.4.1转速、方向的测量及计算方法
根据增量式编码器测速的原理，在单位时间内采集到A、B相脉冲的个数，通过上位机PLC的运算得出每分钟的脉冲个数，根据编码器的分辨率，就可以计算出异步电机的转速。
例如设计中PLC在1s内采集到50000个脉冲，PLC通过指令计算出1分钟的脉冲个数为3000000个，编码器的分辨率为1000ppr，可以计算出异步电机的转速为3000r/min。
B相方法测速时电机的转向判断是非常方便的，根据A、B相的位置关系判断电机的转向。
设计中编码器如果发出的脉冲A相在前，则电机正转，反之电机反转。
2.5人机界面触摸屏
人机界面（Human–MachineInteraction，简称HMI），是人与计算机之间传递、交换信息的媒介和对话接口，是计算机系统的重要组成部分。
其最简单的应用为输入/出、显示，输入指的是由人来进行机械或设备的操作，相当于开关等，而输出指的是由机械或设备发出来的通知，如故障、警告、操作说明提示等。
设计中试验台使用一台型号为DOP-A57BSTD（机种：
台达A系列；面板尺寸：
5.7吋显示器；面板类型：
8色灰度蓝白STN；控制界面：
触控面板；电源：
DC+24V）触摸屏。
触摸屏的使用主要涉及到两个方面，一是软件编程，二是硬件的连接，硬件的连接是调试使用的前提。
设计中对于硬件主要解决的是触摸屏的程序下载接口问题和其与PLC连接通讯问题。
设计中台达PLC具有一个RS232通讯口，所以触摸屏与PLC的通讯采用普通的RS232通讯线就可以了，不需要在制作相应的通讯线，非常方便。
本次课程设计人机界面监控组态画面见下图
主画面设定伺服正/反转速
设定伺服跟随倍速跟随比较
3.控制任务的实现
设计主要主要完成的是伺服电机对异步电机的速度跟踪，实现伺服电机的正、反转控制，能通过触摸屏对伺服电机转速、正、反转进行控制，并对伺服电机的转速进行监控，用于和异步电机的转速进行比较，实现跟踪误差的比较。
设计要求的控制原理框图如图3.1所示。
4.实验结果及分析
本次课程设计是根据控制要求实现伺服电机对异步电机的速度跟随，并进行伺服电机的正反转控制。
试验台接线完毕后，编写程序进行调试，通过触摸屏控制实现了伺服电机对异步电机的速度跟随和正反转功能，同时此次课程设计还留下了一点不足没能实现伺服电机正反转功能的当前速度显示。
结束语
本次设计为伺服电机控制实验装置的设计，主要完成在PLC控制下，伺服电机实现正、反转及跟踪控制。
此次课程设计涉及到了很多的方面的知识：
伺服控制、变频控制、PLC编程、编码器等，通过两周的学习掌握了其中的一些知识，完成了此次设计。
通过设计使我明白了设计的关键在于调试，调试过程是非常重要的环节只有在调试过程中才能发现更多的问题，通过查阅资料最终解决了问题，实现了此次课程设计的要求与目的。
参考文献
[1]ASDA-AB伺服驱动器应用技术手册
[2]DVPPLC应用技术手册硬件篇
[3]DVPPLC编程技巧-WPLSoft软件篇
[4]DVPPLC应用技术手册程序篇
[5]DOP系列人机界面使用手册
[6]中达电通VFD-M系列变频器使用手册
附录一：
硬件接线图
附录二：
程序流程图
附录三：
程序梯形图
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