两轴伺服控制系统设计.docx
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两轴伺服控制系统设计
两轴伺服控制系统设计
第1章伺服系统的基本概念
伺服系统是以机械参数为控制对象的自动控制系统。
在伺服系统中，输出量能够自动、快速、准确地跟随输入量的变化，因此又称之为随动系统或自动跟踪系统。
机械参数主要包括位移、角度、力、转矩、速度和加速度。
近年来，随着微电子技术、电力电子技术、计算机技术、现代控制技术、材料技术的快速发展以及电机制造工艺水平的逐步提高，伺服技术已迎来了新的发展机遇，伺服系统由传统的步进伺服、直流伺服发展到以永磁同步电机、感应电机为伺服电机的新一代交流伺服系统。
目前，伺服控制系统不仅在工农业生产以及日常生活中得到了广泛的应用，而且在许多高科技领域，如激光加工、机器人、数控机床、大规模集成电路制造、办公自动化设备、卫星姿态控制、雷达和各种军用武器随动系统、柔性制造系统以及自动化生产线等领域中的应用也迅速发展。
1.1伺服系统的定义
伺服系统指执行机构按照控制信号的要求而动作，即控制信号到来之前，被控对象时静止不动的；接收到控制信号后，被控对象则按要求动作；控制信号消失之后，被控对象应自行停止。
伺服系统的主要任务是按照控制命令要求，对信号进行变换、调控和功率放大等处理，使驱动装置输出的转矩、速度及位置都能灵活方便的控制。
1.2伺服系统性能的基本要求
1，精度高。
伺服系统的精度是指输出量能复现出输入量的精确程度。
2，稳定性好。
稳定是指系统在给定输入或外界干扰的作用下，能在短暂的调节过程后，达到新的或者恢复到原来的平衡状态。
3，快速响应。
响应速度是伺服系统动态品质的重要指标，它反映了系统的跟踪精度。
4，调速范围宽。
调速范围是指生产机械要求电机能提供的最高转速和最低转速之比。
5，低速大转矩。
在伺服控制系统中，通常要求在低速时为恒转矩控制，电机能够提供较大的输出转矩；在高速时为恒功率控制，具有足够大的输出功率。
6，能够频繁的启动、制动以及正反转切换。
1.3伺服系统的种类
伺服系统按照伺服驱动机的不同可分为电气式、液压式和气动式三种；按照功能的不同可分为计量伺服和功率伺服系统，模拟伺服和功率伺服系统，位置伺服、速度伺服和加速度伺服系统等。
电器伺服系统根据电气信号可分为直流伺服系统和交流伺服系统两大类。
交流伺服系统又有感应电机伺服系统和永磁同步电机伺服系统两种。
1.4伺服系统的发展过程
伺服系统的发展经历了由液压到电气的过程，电器伺服系统的发展则与伺服电机的不同发展阶段具有紧密的联系，伺服电机至今已有50多年的发展历史，经历了三个主要发展阶段。
第一发展阶段（20世纪60年代以前）：
此阶段是以步进电动机驱动的液压伺服马达或以功率步进电动机直接驱动为中心的时代，伺服系统的位置控制多为开环控制。
这一时期是液压伺服系统系统的全盛期。
液压伺服系统能够传递巨大的转矩，控制简单，可靠性高，在整个速度范围内保持恒定的转矩输出，主要应用在重型设备和一些关键场合，比如机场设备。
但它也存在一些缺点，例如发热大、效率低、易污染环境、不易维修等。
第二个发展阶段（20世纪60至70年代）：
这一阶段是直流伺服电机的诞生和全胜发展时代，由于直流电机具有优良的调速性能，很多高性能驱动装置采用了直流电机，伺服系统的位置控制也由开环控制系统发展成为闭环系统。
但是，直流伺服电机存在机械结构复杂、维护工作量大等缺点，在运行过程中转子容易发热，影响了与其连接的其他机械设备的精度，难以应用到高速及大容量的场合，换向器成为直流伺服驱动技术发展的瓶颈。
由于人们通过材料和工艺的改进来尽量提高直流伺服的生命力，因此直流伺服电机仍将在相当长的时间内得到应用，只是市场份额预计会持续下降。
第三发展阶段（20世纪80年代至今）：
这一阶段是以机电一体化时代作为时代背景的。
由于伺服电机结构及永磁材料、半导体功率器件技术、控制技术的突破性进展，出现了无刷直流伺服电机（方波驱动）、交流伺服电机（正弦波驱动）、矢量控制的感应电机和开关磁阻电机等新型电机。
尤其是80年代以来，矢量控制技术的不断成熟，极大地推动了交流伺服驱动技术的发展，是交流伺服驱动系统的性能可以与直流伺服系统媲美。
伺服驱动装置经历了模拟式——数字模拟混合式——全数字化的发展。
伺服系统控制器的实现方式在数字控制中也在由硬件方式向着软件方式发展；在软件方式中也是从伺服系统的外环向内环、进而向接近电动机环路的更深层发展。
交流伺服电机克服了直流伺服电机存在的电刷、换向器等机械部件所带来的各种缺点，过载能力强和转动惯量低体现出了交流伺服系统的优越性。
交流伺服系统采用以微处理器为基础的系统芯片和智能化功率器件，很好的克服了伺服系统中模型参数变化和非线性等不确定因素，提高了系统的鲁棒性和容错性，成功实现了高精度伺服控制。
特别是控制理论的新发展及智能控制的兴起和不断成熟，加之计算机技术、微电子技术的迅猛发展，使基于智能控制理论的先进控制策略和基于传统控制理论的传统控制策略完美结合，为交流伺服系统的实际应用奠定了坚实的基础。
第2章系统结构与伺服电机的作用及原理
伺服控制系统利用永宏伺服驱动器，进行双轴驱动的目的。
双轴均为全数字伺服系统，各轴通过伺服电机通过连轴器带动，以移动配有直线运动的工作台。
定位准确，速度可调，也可进行微调。
主轴由变频器控制，利用设置脉冲的进给量来设置主轴合理的转速，并在程序中设定它的启动停止。
2.1伺服电机的基本结构和作用
伺服电动机又叫执行电动机，在自动控制系统中，用作执行元件，把所收到的电信号转换成电动机轴上的角位移或角速度输出。
分为直流和交流伺服电动机两大类，其主要特点是，当信号电压为零时无自转现象，转速随着转矩的增加而匀速下降。
伺服主要靠脉冲来定位，基本上可以这样理解，伺服电机接收到1个脉冲，就会旋转1个脉冲对应的角度，从而实现位移，因为，伺服电机本身具备发出脉冲的功能，所以伺服电机每旋转一个角度，都会发出对应数量的脉冲，这样，和伺服电机接受的脉冲形成了呼应，或者叫闭环，如此一来，系统就会知道发了多少脉冲给伺服电机，同时又收了多少脉冲回来，这样，就能够很精确的控制电机的转动，从而实现精确的定位。
伺服电机是一种数字化控制的电机，能够将电能转换为机械能，用于定位控制。
其位移是通过脉冲信号数量控制的，把信号（控制电压或相位）变换成机械位移，也就是把接收到的电信号变为电机的一定转速或角位移。
伺服电机的转速是通过脉冲频率控制的。
伺服电机属于闭环控制的电机，必须采集电机旋转轴的编码器信号，才能够实现控制。
其容量一般在0.1-100W。
常用的在30W以下。
伺服电动机有直流和交流之分。
而本文所论述的松下A5系列伺服电机的特点：
功率：
50W～5kW惯量不同特性改善：
槽定位转矩0.5％以下小型。
超轻化：
行业最轻（1kW～5kW）高分解率：
绝对式17bit、增量式20bit耐环境性能升级：
IP67构造连接：
全容量连接化A5系列驱动器的特点电源：
单相AC100V、单/3相AC200V控制模式：
转矩、速度、位置、全闭环控制参数：
扩大自动设定范围与PC通信：
对应USB新软件设定，操作性能升级安装。
2.2本文所使用的伺服电机及驱动器
本设备采用了松下MADHT1507E永磁同步交流伺服电机，作为运动传动控制装置。
MADHT1507E的含义：
MADHT表示松下A5系列A型驱动器T1表示最大额定电流为10A5表示电源电压规格为单相/三相200V07表示电流监测器额定电流为7.5A。
图2.1松下伺服驱动器
MADHT1507E伺服驱动器面板上有多个接线端口，其中：
X1：
电源输入接口，AC220V电源连接到L1、L3主电源端子，同时连接到控制电源端子L1C、L2C上。
X2：
电机接口和外置再生放电电阻器接口。
U、V、W端子用于连接电机。
必须注意，电源电压务必按照驱动器铭牌上的指示，电机接线端子（U、V、W）不可以接地或短路，交流伺服电机的旋转方向不象感应电动机可以通过交换三相相序来改变，必须保证驱动器上的U、V、W、E接线端子与电机主回路接线端子按规定的次序一一对应，否则可能造成驱动器的损坏。
电机的接线端子和驱动器的接地端子以及滤波器的接地端子必须保证可靠的连接到同一个接地点上。
机身也必须接地。
RB1、RB2、RB3端子是外接放电电阻。
X6：
连接到电机编码器信号接口，连接电缆应选用带有屏蔽层的双绞电缆，屏蔽层应接到电机侧的接地端子上，并且应确保将编码器电缆屏蔽层连接到插头的外壳（FG）上。
X5:
OPC1和PULS2构成回路，OPC2和SING2构成回路，SRV_ON为单独伺服ON输入，CCWL（9）和CWL（8）为左右限位信号伺服电机用于定位控制，选用位置控制模式。
所采用的是简化接线方式，如图所示。
图2.2松下伺服驱动器接线示意图
2.3伺服驱动器的参数设置
松下的伺服驱动器有七种控制运行方式，即位置控制、速度控制、转矩控制、位置/速度控制、位置/转矩、速度/转矩、全闭环控制。
位置方式就是输入脉冲串来使电机定位运行，电机转速与脉冲串频率相关，电机转动的角度与脉冲个数相关；速度方式有两种，一是通过输入直流-10V至—+10V指令电压调速，二是选用驱动器内设置的内部速度来调速；转矩方式是通过输入直流-10V至—+10V指令电压调节电机的输出转矩，这种方式下运行必须要进行速度限制，有如下两种方法：
1）设置驱动器内的参数来限制，2）输入模拟量电压限速。
参数设置方式操作说明：
MADHT1507E伺服驱动器的参数共有218个，Pr000-Pr639，可以通过与PC连接后在专门的调试软件上进行设置，也可以在驱动器上的面板上进行设置。
在PC上安装，通过与伺服驱动器建立起通信，就可将伺服驱动器的参数状态读出或写入，非常方便。
当现场条件不允许，或修改少量参数时，也可通过驱动器上操作面板来完成。
表1伺服参数设置表格
序
号
参数
设置
数值
功能和含义
参数编号
参数名称
1
Pr01
LED初始状态
1
显示电机转速
2
Pr02
控制模式
0
位置控制（相关代码P）
3
Pr04
行程限位禁止输
入无效设置
2
当左或右限位动作，则会发生Err38行程限位
禁止输入信号出错报警。
设置此参数值必须在
控制电源断电重启之后才能修改、写入成功。
4
Pr20
惯量比
1678
该值自动调整得到，具体请参AC
5
Pr21
实时自动增益设置
1
实时自动调整为常规模式，运行时负载惯量的
变化情况很小。
6
Pr22
实时自动增益的机械刚性选择
1
此参数值设得很大，响应越快。
7
Pr41
指令脉冲旋转方向设置
1
指令脉冲+指令方向。
设置此参数值必须在
控制电源断电重启之后才能修改、写入成功。
8
Pr42
指令脉冲输入方式
3
9
Pr48
指令脉冲分倍频
第1分子
10000
现编码器分辨率为10000（2500p/rх4），参数
Pr49设置如表，
10
Pr49
指令脉冲分倍频
第2分子
0
11
Pr4A
指令脉冲分倍频
分子倍率
0
12
Pr4B
指令脉冲分倍频
分母
6000
2.4定位系统器件选型
图2.3PLC结构示意图
控制器产品型号选用永宏的FBS-20MCT，该型机具有较高的性价比，体积小，功能强，固定端子台，12点24VDC输入（4点10KHz），8点（R/T/S）输出（4点10KHz），使应用起来非常方便，接线简捷。
编程软件WinProladder有梯形图大师之称，易学易用且功能强大，编辑、监视、除错等操作非常顺手，按键、鼠标并用及在线即时指令功能查询与操作指引，使编辑、输入效率倍增。
图2.4水平工作台示意图
十字滑台产品介绍：
本滑台（两导轨之间）双封闭结构，精度高；紧密级采用合金导轨板，动态性好。
本滑台刚性高，热变形小，进给稳定性高。
图2.5松下A5伺服驱动器示意图
第3章位置控制系统的电气原理图
伺服电机是各类精确制造设备的核心部分，永磁交流伺服电机有响应快、功率密度大、效率高、运行平稳等特点，所以在自动化应用等行业得到了广泛的应用，在制造领域有着很大意义。
学校现有的伺服控制器以及伺服电机为松下公司生产的A5系列伺服电机，随着塑机制造水平的快速发展，新品的不断开发，伺服电机的应用也越来越多，伺服电机需要带有高速脉冲输出的PLC来驱动，永宏作为我国台湾自行研制的国产plc，已有相当水平，2012年，我们学校引进数十台永宏实验机台，供学生学习。
我将学习的永宏PLC,配合先进的A5伺服驱动器，尝试完成双轴伺服的控制。
3.1电气原理图
图3.1电气原理图
3.2课题控制任务设定
该项目是为利用伺服电机进行精确位置控制的项目，可用于小型雕刻机等工业位置控制机器。
设置初始位置在距离X轴原点11cm，距离Y原点6cm处。
当电机处于停电或其他偶然事件时，可进行手动微调使水平工作台至初始位置。
当程序出错或水平工作台移动到端点位置时，电机会发生报警。
按启动即可开始运行，各轴按程序设定坐标移动。
当程序结束时，各轴停止，完成基本过程。
本次课题主要目的即设计并实现伺服双轴驱动，并实现标志的绘制。
第4章
位置控制的程序实现
4.1NC定位指令介绍
HSPSO（FUN140）指令的NC定位程序是以文字的程序书写方式来编辑：
每一定位点我们成为一步（含输出频率、动作行程、转移条件），一个FUN140最多可编250步定位点，每一步定位点需占用9个缓存器。
将定位程序存在缓存器最大的好处是，如果结合人机作机台操作设定，则可将定位程序存入人机，更换模具时，可直接由人机操作存取当前模具的定位程序。
当执行控制输入“EN"=1时，如PS0-3没有被其他FUN140指令占用（ps0=M1992，ps0=M1993，ps0=M1994，ps0=M1995的状态为OFF），则等占用的FUN140释放控制权，本指令取得定位控制脉冲（pulse）输出权
当执行控制输出“PAU"=1，而且执行控制"EN"原先为1时，则暂停脉冲输出；当暂停输出“PAU"=0，而执行控制"EN"仍为1时，继续输出未完成的脉冲数。
当放弃输出"ABT"=1时，马上停止脉冲输出。
（下次当执行控制输入“EN"=1时，重新由第一步定位点开始执行）。
当脉冲输出中，输出指示"ACT"ON。
当指令执行错误时，输出指示“ERR"ON（错误代码存放在错误码缓存器）
当每一步定位点完成时，输出指示"DN"ON
图4.1NC定位控制指令图
4.2伺服定位指令表格
图4.2NC定位控制指令相关参数图
4.3控制程序编制
图4.3梯形图程序
4.4程序说明以及所达到的效果
编号
功能
X0
按下X0,机械从顶点位置运行至系统允许启动初始位,当双轴到达初始位时，系统进入图形运行状态,开始动作，进行预定设置图形。
X1
按下X1，系统停止
X2
进行一号伺服微调，可正反转
X3
二号伺服微调，可正反转
YO
一号伺服脉冲控制
Y1
一号伺服方向控制
Y2
二号伺服脉冲控制
Y3
二号伺服方向控制
MO
启动锁存
M1
一号伺服运行
M2
一号伺服错误报警
M3
一号伺服定位成功
M4
二号伺服运行
M5
二号伺服错误报警
M6
二号伺服定位成功
M7，M8，M9
伺服微调
M10，M11，M12
伺服微调
结论
基于PLC伺服电动机定位控制系统设计应用较多专业知识，需在认真研究设计需求的基础上，加强各设计环节的探讨，为设计工作的顺利开展奠定基础。
本文通过研究得出以下结论：
1本次文设计的基于PLC伺服电动机运动控制系统，应用的硬件主要有伺服电机、对应的驱动模块、PLC以及相关的扩展模块等；2设计过程中在对所用装置性能充分了解的基础上，明确设计工作的重点，本文尤其对伺服电机的控制方式、电机控制以及系统的启动与停止进行重点探讨；3在对各模块设计完成的基础上进行调试运行，发现一些小问题需要进一步的研究与优化，总的来看，设计的伺服电机运动位置控制系统基本满足设计要求，而且可为今后一些设计工作的开展提供参考。
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