基于工控机的伺服控制系统设计.docx

1、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）： * 专 业: * 学 生： * 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Design and Implementation of Servo Control System Based on Industrial Personal Computer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 Design and Implementation of Servo Control

2、 System Based on Industrial Personal Computer 学 院（系）: * 专 业： 学 生 姓 名: 学 号： * 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ECMAC30602ES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

3、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Design and Implementation of Servo Control System Based on Industrial Personal ComputerAutomation Specialty Abstract：This design is mainly to industrial control computer

4、 as the monitoring host computer system， Delta PLC as field controller, servo controller as the actuator, PLC by sending a pulse to achieve positive， AC servo motor position control and linear interpolation。 The industrial control computer and delta PLC is based on RS232 serial port and ASCII protoc

5、ol communication control ECMAC30602ES servo motor, the force control software and servo drive based on MODBUS protocol communication mode of motor state monitor。 The use of ASDAsoft software， the ASCII communication protocol, completed the test speed and position servo drive; through the design of P

6、LC monitoring procedure programming， to achieve speed control and servo motor control， debugging， operation to meet the system performance requirements.Key words: Industrial personal computer； servo driver； servo motor； programmable logic controller1 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

7、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（FMSFlexibleManufacturingSystem）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

8、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

9、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ASDAA、ASDA-B、ASDAAB、ASDAA2、ASDA-B2等系列的驱动器，每

10、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ASDAAB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（P101)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

11、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

12、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

13、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P210到P222。CN1的脉冲指令可以使用开集极方式或差动Line driver方式输入,差动Line driver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

14、电源（集极开路）。CN1具体接线端子和集极开路如图6所示. 图6 CN1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7 CN2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MOD

15、BUS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、RS485、RS422三种通信方式，可以通过参数（P305)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8 CN3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

16、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，

17、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

18、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,E

19、P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PLC8.2。3.1 DVP40EH系列PLC的认识台达DVP40EHOOTS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RS232与RS485，兼容MODBUSASCII/RTU

20、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

21、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。2 PLC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 12 PLC铭牌说明2。3。3 PLC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13 EH系列P

22、LC的型号说明2。3.4 DVP40EH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14 PLC外形图表1 PLC外形介绍135mmDIN铝轨9输出点配线端

23、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5LED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16RUN/STOP开关ERROR异常指示灯17RS232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84DIN铝轨固定扣21记忆卡插槽2.3。5 PLC功能规格DVP40EH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

24、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2 PLC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）X0X377，256点8进制编码外部输出（Y）Y0Y3177,256点8进制编码步进继电器初始步进点S0S9，10点合计1024点原点回归用S10S19，10点一般用S20S512，492点

25、停电保持用S512S895，384点警报用S896S1023，128点辅助继电器一般用M0M511,512点合计4096点停电保持用M512M999、M2000M4095、2584点特殊用M1000M1999,1000点计时器100ms一般用T0T199，200点合计256点100ms停电保持T250T255，6点10ms一般用T200T239,40点10ms停电保持T240T245，6点1ms停电保持T246T249，4点计数器16位元上数C96C199，104点合计250点32位元上下数C200C215,16点32为元上下数停电保持用C216C234,19点32为元上下数停电保持1相1C2

26、35C242、C244，9点32为元上下数停电保持1相2C246、C247、C249,3点32为元上下数停电保持2相2C251、C252、C254，3点资料暂存器一般用D0D199,200点合计5000点停电保持用D200D999，D2000D4999，3800点特殊用D1000D1999,1000点间接指定用E0E3,F0F3，8点档案暂存器K0K1599合计1600点2。3.6 WPLSOFT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

27、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3 WPLSOFT软件安装要求项目系统要求操作系统Windows 98/2000/NT/ME/XP/VISTACPUPentium 100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RS232串口至少需要一个RS-232端口可与PLC链接适用PLC机种台达DVPPLC系列3 伺

28、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ASDAsoft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P0xx、基本参数P1xx、扩展参数P2xx通讯参数P3-

29、xx和诊断参数P4xx。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,P300（站号）设置为1，P301（通讯传输率）设置为1，P302（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P002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

30、15 ASDASoft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CN1 Pin NoDI1P2-10=101SON伺服启动 DI1-=9DI2P211=109TRQLM扭矩限制 DI1=10DI3P2-12=114SPD0速度命令选择0 DI1-=34DI4P2-13=115SPD1速度命令选择1 DI1-=8DI5P2-14=102ARST异常复位 DI1-=33DI6P215=0Disabled此DI功能无效DI7P2-16=0Disabled此DI功能无效DI8P2-17=0Disabled此DI功能无效必须将逆向运转禁止极限(DI6）与正向运转极