基于工控机的伺服控制系统设计.docx
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基于工控机的伺服控制系统设计
＊*大学
本科生毕业设计（论文）
学院（系）：
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专业:
＊*
学生：
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指导教师：
*＊
完成日期2013年*月
*＊大学科生毕业设计（论文）
基于工控机的伺服控制系统的设计与实现
DesignandImplementationofServoControlSystemBasedonIndustrialPersonalComputer
总计:
30页
表格:
9个
插图：
34幅
＊＊大学本科毕业设计（论文）
基于工控机的伺服控制系统的设计与实现
DesignandImplementationofServoControlSystemBasedonIndustrialPersonalComputer
学院（系）:
*＊
专业：
＊＊
学生姓名:
＊＊
学号：
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指导教师（职称）：
*＊
评阅教师：
完成日期：
基于工控机的伺服控制系统的设计与实现
自动化专业＊＊
［摘要]本设计主要是以工控机作为上位机实现系统的监控，台达PLC作为现场控制器，伺服控制器作为执行器,PLC通过发送脉冲来实现交流伺服电机的正反转、点位控制和直线插补运动。
其中工控机和台达PLC是以RS232串口和ASCII协议的通讯方式控制ECMA—C30602ES伺服电机,力控软件和伺服驱动器以MODBUS协议通讯方式对电机运动状态进行实时监控。
使用ASDA-soft软件,以ASCII通信协议，完成了伺服驱动器的速度与定位测试；通过上位机监控程序的设计和PLC的编程,实现了伺服电机的速度控制与点位控制，经调试，运行情况满足系统性能要求。
［关键词］工控机；伺服驱动器；伺服电机；可编程控制器
DesignandImplementationofServoControlSystemBasedonIndustrialPersonalComputer
AutomationSpecialty＊＊
Abstract：
Thisdesignismainlytoindustrialcontrolcomputerasthemonitoringhostcomputersystem，DeltaPLCasfieldcontroller,servocontrollerastheactuator,PLCbysendingapulsetoachievepositive，ACservomotorpositioncontrolandlinearinterpolation。
TheindustrialcontrolcomputeranddeltaPLCisbasedonRS232serialportandASCIIprotocolcommunicationcontrolECMA—C30602ESservomotor,theforcecontrolsoftwareandservodrivebasedonMODBUSprotocolcommunicationmodeofmotorstatemonitor。
TheuseofASDA—softsoftware，theASCIIcommunicationprotocol,completedthetestspeedandpositionservodrive;throughthedesignofPLCmonitoringprocedureprogramming，toachievespeedcontrolandservomotorcontrol，debugging，operationtomeetthesystemperformancerequirements.
Keywords:
Industrialpersonalcomputer；servodriver；servomotor；programmablelogiccontroller
1引言
1。
1研究背景及意义
伺服控制技术是自动化学科与生产部门联系最紧密、服务最广泛的一个分支。
近年来，伺服系统在高科技领域的应用越来越广泛,如激光加工、机器人、数控机床、大规模集成电路的制造、办公自动化设备、雷达和各种军用武器随动系统、以及柔性制造系统（FMS—FlexibleManufacturingSystem）等.不光设计到微电子行业、机械制造行业、通信行业、军事行业还有冶金行业、航天工业、运输行业以及家庭生活各个方面，而且必将发展应用到更新的领域。
计算机控制技术是一个包括自动控制技术、计算机技术、网络与通信技术、检测与传感技术、显示技术、电子技术的多学科交叉的综合控制技术。
其各个技术的发展与进步必然会给计算机控制技术带来巨大的变革。
其次实际的工业需求也是决定计算机控制技术发展趋势的主要因素。
随着自动化的快速发展，计算机在工业中也得到了广泛的应用.在计算机的帮助下对自动控制系统进行实时监控。
本次设计主要是借助计算机对伺服电机进行有效的控制达到设计要求[1］。
1。
2设计目的
为了让交流伺服电机的用途更加广泛,本次设计用台达PLC编程，计算机来监控使电机按照预定的轨迹，预定的速度、设定的位置做相应的运动.从而实现自动和远程操控。
通过用计算机来控制伺服电机，不仅能检测运动状态还可以进行控制，即直观又方便。
实现交流伺服电机的有效控制，可以在很多的领域的到广泛的应用，为以后的学习和应用者提供很大的帮助。
通过本次设计也使我学到了很多书本上没有的知识,并且对计算机控制和伺服控制技术有了进一步的了解，为以后的学习打下了坚实的基础.对伺服驱动器、可编程控制器、计算机控制技术有了系统的了解。
2设备选型
2。
1台达伺服驱动器
伺服驱动器是用来控制伺服电机的一种控制器，其作用类似于变频器作用于普通交流马达,属于伺服系统的一部分。
而台达伺服驱动器是台达公司研发的，只能用于控制台达伺服电机的一款伺服驱动器，其作用类似于用台达变频器去控制三项异步交流电机。
台达伺服驱动器产品的控制回路均采用高速数字信号处理器，配合增益自动调整、指令平滑功能的设计及软件分析与监控，可达到高速位移、精确定位等运动控制需求。
台达公司有ASDA—A、ASDA-B、ASDA—AB、ASDA—A2、ASDA-B2等系列的驱动器，每个型号的驱动器的功能都不同并且使用方向也有所不同，根据本次设计的要求,本次设计选用ASDA—AB型号的驱动器［7]，以下是它的详细介绍，它的铭牌说明如图1所示,序号说明如图2所示，型号说明如图3所示。
图1驱动器铭牌说明
图2驱动器序号说明
图3驱动器的型号说明
台达ASDA-AB伺服驱动器内置Pt位置控制模式（命令由端子输入）、Pr位置控制模式（命令由内部寄存器输入）、S速度控制模式（端子/内部寄存器）、T扭矩控制模式（端子/内部寄存器）、Sz零速度/内部速度寄存器命令、Tz零扭矩/内部扭矩寄存器命令六种模式,可以通过伺服驱动器参数（P1—01）的设置来选择模式.本次设计中主要用到的是伺服驱动器的位置脉冲（Pt）模式，它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4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。
图4脉冲信号形式
2.1。
1伺服驱动器基本硬件配置方法
伺服驱动器上主要有主回路电源接口、输出电源接口、信号接口（CN1）、电机编码器接口（CN2）以及通讯接口（CN3）等.驱动器的各部分名称及说明如图5所示。
驱动器使用时需注意以下问题：
（1）检查R、S、T与L1、L2的电源和接线是否正确。
（2）确认伺服电机输出U、V、W端子相序接线是否正确，接错电机可能不转或乱转。
（3）使用外部回生电阻，需要P、D端开始,外部回生电阻应接于P、C端，若使用内部电阻时,则需将P、D端短路且P、C端开路.
（4）异警或紧急停止时，利用ALARM或是WARN输出将电磁接触器（MC）断电，以切断伺服驱动器电源.
（5）在110V机种，已将三相电源表示法R改为L1M,S改为L2M,成为单相入电，其原先T相入电位置已无任何作用（无回路）.
图5驱动器各部分名称及说明
2.1.2驱动器信号端口的说明
驱动器主要有有CN1、CN2、CN3三个信号接口[7］,以下是详细介绍。
（1）驱动器的CN1端口主要是和上位控制器（台达可编程控制器）链接，通过脉冲来控制电机的转动.为了能更好的与上位控制器通信CN1端口提供了5组输出和8组输入。
控制器提供的八个输入设定与五个输出分别为参数P2—10到P2—22。
CN1的脉冲指令可以使用开集极方式或差动Linedriver方式输入,差动Linedriver输入方式的最大输入脉冲为500kpps，开集极方式的最大输入脉冲为200kpps.本次设计主要采用的是内部电源（集极开路）。
CN1具体接线端子和集极开路如图6所示.
图6CN1接线端子和集极开路
（2）驱动器CN2是编码器信号接线端口。
ECMA系列的电机内附一个2500pprA、B、Z、U、V、W的编码器。
从电源启动时U+、V+、W+、U—、V—、W—信号即在0。
5秒内以六条线告知驱动器，再下来同样六条线转换成A+、B+、Z+、A-、B-、Z—信号.2500pprA、B信号进入驱动器后即成为10000ppr,再加电源Vcc（2条）和地（GND）（2条），编码器连线共有10条。
CN2连接器的接线端外型如图7所示。
图7CN2接线端
（3）CN3是驱动器的通讯口，驱动器通过通讯端口与电脑相连，还可以通过MODBUS协议与台达公司提供的专用软件ASDA-SOFT通信。
驱动器提供了RS-232、RS—485、RS—422三种通信方式，可以通过参数（P3—05）设定.本次设计主要是力控软件通过RS-232串口与驱动器通讯从而把电机的运动状态反馈出来。
CN3的具体接线端如图8所示。
图8CN3接线端
2。
2台达伺服电机
本次设计主要用的是与伺服驱动器配套的ECMA-C30604ES系列交流伺服电机。
它有定子和转子两部分组成,内部的转子是永磁铁，驱动器控制的U/V/W三相电形成电磁场，转子在此磁场的作用下转动，同时电机自带的编码器反馈信号给驱动器,驱动器根据反馈值与目标值进行比较，调整转子转动的角度。
它的主要技术参数有额定功率0。
4KW、额定电压110V、额定电流26A。
具体铭牌如图9所示，序号说明如图10所示，型号说明如图11所示。
图9伺服电机的铭牌
图10伺服电机的序号说明
图11伺服电机的型号说明
编码器用于测量速度、位置、速度或角度等物理量.它是把机械位移量转变成电信号的传感器，分为增量型和绝对值两种.增量型编码器产生脉冲信号，利用脉冲数可测量速度，长度或位置。
对于绝对性编码器，每一个位置对于一个位移的数字量数值。
编码器内部有一个转动的圆盘（码盘），带有若干个透明和不透明的窗口，用光电接收器收集断续的光束，这样,就把光脉冲转换成了电脉冲，然后由电子输出线路进行处理并输出。
本次设计用的是增量式编码器，它是直接利用光电转换原理输出三组方波脉冲A、B和Z相，A、B两组脉冲相位差90度，从而可方便地判断出旋转方向，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，而Z相为每转一圈输出一个脉冲，该脉冲称为Z相零位脉冲，用于基准点定位。
所以对于本次设计，只需用将A、B相与PLC的XO、X1输入端相接即可。
它的工作原理是在一个码盘的边缘上开有相等角度的缝隙（分为透明和不透明部分），在开缝码盘两边分别安装光源及光敏元件。
当码盘随工作轴一起转动时，每转过一个缝隙就产生一次光线的明暗变化,再经整形放大，可以得到一定幅值和功率的电脉冲输出信号，脉冲数就等于转过的缝隙数.将该脉冲信号送到计数器中去进行计数,从测得的数码数就能知道码盘转过的角度[3］。
2.3台达可编程控制器
台达DVP系列PLC有ES、EP及EH三种主机机型，ES为一般泛用之主机，EP为功能提升型之主机,而EH则为高功能高速型主机，三者之间部分的软、硬功能规格方面有其个别定义,在机构上ES/EX归类相同,均是固定端子台形式（除DVP60ES00R/T除外），而使用相同CPU的SS机种为超薄型小型控制器，最适合应用于因配电盘空间不足而要求内置元件需小型化的使用场合，EP及EH机种的体积比ES/EX更小巧化，但功能却比之强大许多，如果要求快速即时，EP及EH是绝佳的选择；在指令功能方面ES所提供的功能足以完成大部分的顺序控制目的,EP及EH更加强了在数值验算、复杂的PID控制及更便利的通讯机NC伺服定位等能力，所以DVP系列PLC可以完成几乎所有的自动控制.而EH系列PLC不但体积小而且速度快,功能也非常强大，丰富的模块广泛适用于各种行业的检测监控和自动控制以及定位控制等功能。
完全能达到本次设计的要求，所以这次设计用的是DVP-40EH系列的PLC［8].
2。
3.1DVP—40EH系列PLC的认识
台达DVP—40EHOOTS系列为高速精密定位主机;主机点数：
40；最大I/O点数：
512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；数据存储器：
10000字符；档案存储器：
10000字符；高速脉冲输出：
20与32点数机种支持2点200kHz（YO，Y2）；40点数机种支持2组AB相200kHz脉冲输出（Y0，Y1）（Y2，Y3）,与2点200kHz脉冲输出（Y4，Y6）；内置四组硬件高速计数器；
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。
2PLC的铭牌说明
每一个产品上都会有该产品的铭牌，它是向使用者提供该产品的主要性能指标,以便使用者更好的使用该产品。
DVP-40EH系列PLC其机种型号在PLC的机体的左侧。
如图12所示。
图12PLC铭牌说明
2。
3。
3PLC的型号说明
一般的PLC都会分很多种不同的系列不同的型号供大家选择，每个系列可以有很多的型号，不同的型号会有不同的功能、不同的编程方法，只有了解了PLC的系列型号才能为下一步的编程做准备，才能更好的使用。
具体型号说明如图13所示。
图13EH系列PLC的型号说明
2。
3.4DVP—40EH系列PLC面板介绍
DVP-40EH系列PLC外形有22个输入端14个输出端，一个开关,一个RS232串口,设计者可以直接通过串口下载程序。
其中输入端的S/S表示为共享电源端，当与+24V相接是它是电流输入端，当与24VG相接时它是电流输出端，在输出端上的C0-C5是对应输出的公共端（两个输出公用一个公共端），面板上的输入输出指示灯可以方便使用者直观的观察PLC的输入输出状态，还有一个扩充插槽可以同时再连接一个PLC，起扩展功能的作用，面板具体显示如图14所示，对应的介绍如表1所示。
图14PLC外形图
表1PLC外形介绍
1
35mmDIN铝轨
9
输出点配线端子
2
周边装置插槽盖
10
输出点指示灯
3
输入点配线端子台
11
安装固定孔
4
功能扩充槽盖
13
扩充机连接线
5
LED状态指示灯
14
类比按钮
POWER
电源指示灯
15
电池置放室
RUN
运转中指示灯
16
RUN/STOP开关
ERROR
异常指示灯
17
RS232通讯端口
BAT。
LOW
电池电力不足指示灯
18
电池连线插座
6
输入点指示灯
19
功能扩充卡固定孔
7
扩充槽盖
20
功能扩充卡插槽
8
4DIN铝轨固定扣
21
记忆卡插槽
2.3。
5PLC功能规格
DVP—40EH系列PLC主要有输入输出、步进继电器、辅助继电器、计时器、计数器、暂存器等功能，每种寄存器都有不同的功能，还有一些特殊寄存器我们可以在软件中查询到.了解这些功能对本次设计有很大的帮助。
具体功能介绍如表2所示,功能使用需注意以下几个问题。
（1）非停电保持区域，不可变更。
（2）非停电保持区域，可使用参数设定变更成停电保持区域。
（3）停电保持区域，可使用参数设定变更成非停电保持区域.
（4）停电保持固定区域,不可变更.
表2PLC主机功能介绍
项目
规格
备注
演算控制方式
内存程式/往返式来回扫描方式，可单步执行
输入/输出控制方式
结束再生方式（执行END命令）
输入/输出刷新命令
外部输入（X）
X0～X377，256点
8进制编码
外部输出（Y）
Y0～Y3177,256点
8进制编码
步进继电器
初始步进点
S0～S9，10点
合计1024点
原点回归用
S10～S19，10点
一般用
S20~S512，492点
停电保持用
S512～S895，384点
警报用
S896～S1023，128点
辅助继电器
一般用
M0～M511,512点
合计4096点
停电保持用
M512～M999、M2000～M4095、2584点
特殊用
M1000~M1999,1000点
计时器
100ms一般用
T0～T199，200点
合计256点
100ms停电保持
T250~T255，6点
10ms一般用
T200~T239,40点
10ms停电保持
T240～T245，6点
1ms停电保持
T246~T249，4点
计数器
16位元上数
C96～C199，104点
合计250点
32位元上下数
C200～C215,16点
32为元上下数停电保持用
C216～C234,19点
32为元上下数停电保持1相1
C235~C242、C244，9点
32为元上下数停电保持1相2
C246、C247、C249,3点
32为元上下数停电保持2相2
C251、C252、C254，3点
资料暂存器
一般用
D0～D199,200点
合计5000点
停电保持用
D200～D999，D2000～D4999，3800点
特殊用
D1000～D1999,1000点
间接指定用
E0～E3,F0~F3，8点
档案暂存器
K0～K1599
合计1600点
2。
3.6WPLSOFT软件
WPLSoft为台达电子—可编程序控制器DVP系列在WINDOWS操作系统环境下所使用的程序编程软件.WPLSoft除了一般PLC的功能（例如:
剪切、粘贴、复制、注释等）外，还提供多种中/英文批注编辑及一些便利功能（例如:
寄存器编辑、设定、文件读取、存盘等）.这个软件的帮助功能非常强大,当我们在编程的情况下遇见陌生的命令或者是不知道特殊寄存器的用法时都可以在帮助中查找，具体安装要求如表3所示。
表3WPLSOFT软件安装要求
项目
系统要求
操作系统
Windows98/2000/NT/ME/XP/VISTA
CPU
Pentium100以上机种
内存
128MB以上（建议使用256MB）
磁盘驱动器
硬盘容量至少500MB以上空间
显示器
分辨率640x480,16色以上
鼠标
一般用鼠标或Windows兼容的装置
RS—232串口
至少需要一个RS-232端口可与PLC链接
适用PLC机种
台达DVP—PLC系列
3伺服驱动器的调试
伺服驱动器的调试主要是使用伺服器专用软件ASDA—soft软件来调试的，此软件通过RS232串口线和伺服驱动器的CN3通讯端口通讯。
可以在此软件中通过设置不同的参数来改变电机的不同模式、不同速度，进行调试。
打开软件首先找到通讯设定,如图15所示。
选择好自己所用的装置和端口，然后选择在线模式，选择好后点击开始自动检测，几秒后就会检测到驱动器的站号和传输率及协定,只需要按照检测的站号、传输率和协定在伺服驱动器上设置对应的参数（P3-xx通讯参数），最后写入伺服驱动器就行了。
然后打开寸动控制和参数编辑器，伺服驱动器的参数分监控参数P0—xx、基本参数P1—xx、扩展参数P2—xx
通讯参数P3-xx和诊断参数P4—xx。
通过改变不同的参数可以改变不同的模式，其中通讯参数是一定的,P3—00（站号）设置为1，P3—01（通讯传输率）设置为1，P3—02（通讯协议）设置为4，P3-05（通讯功能）设置为0。
参数设置界面如图16所示。
按要求设置完参数后，打开寸动控制面板如图17所示，面板上显示有数字输入口和数字输出口,这些功能都是通过驱动器参数设置的，具体设置及功能显示见附录一和附录二所示.在数位输入状态的相互配合下，完成不同的运动状态。
当伺服驱动器为速度模式时把P0-02设置为6,为速度显示；当伺服驱动器为位置模式时将P0—02设置为1，为电机反馈旋转圈数。
这样驱动器就会显示当前电机的运动状态。
图15ASDA—Soft通讯设置
图16参数编辑器
图17寸动控制器
3。
1空载的速度测试
在测试之前首先要了解各操作模式下DI与DO的功能.具体设置参照表.
（1）主要是测试电机在速度模式下的运动状态,首先通过参数P1-01将驱
动器的控制模式设定为速度模式，更改后需要重新开机才会生效.切记要把P2-51设定为0.（伺服启动须由内部DI触发）
（2）速度控制模式下，所需设定数字输入DI如表4所示。
表4数字输入DI表
数字输入
参数设定值
符号
功能定义说明
CN1PinNo
DI1
P2-10=101
SON
伺服启动
DI1-=9
DI2
P2—11=109
TRQLM
扭矩限制
DI1—=10
DI3
P2-12=114
SPD0
速度命令选择0
DI1-=34
DI4
P2-13=115
SPD1
速度命令选择1
DI1-=8
DI5
P2-14=102
ARST
异常复位
DI1-=33
DI6
P2—15=0
Disabled
此DI功能无效
DI7
P2-16=0
Disabled
此DI功能无效
DI8
P2-17=0
Disabled
此DI功能无效
必须将逆向运转禁止极限（DI6）与正向运转极
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