基于PLC.变频器。触摸屏的伺服运动控制的设计

题目：基于

南京化工职业技术学院

毕业论文设计

PLC的伺服系统的运动控制系统设计

姓 名： 张迪 所在系部： 自动控制系 班级名称： 电气化1021 学 号： 1003150102 指导老师： 严金云

2013年 4 月

摘 要

本文采用运动控制系统，完成三菱电机杯竞赛的关于伺服电机如何实现系统的运动控制系统。运动控制模型包括：安装台面、XY伺服轴、旋转工作盘三大部分。

运动控制 (Motion Control)通常是指在复杂条件下,将预定的控制方案、规划指令转变成期望的机械运动,实现机械运动精确的位置控制、速度控制加速度控制、转矩或力的控制。该系统由两工位运动控制系统组成：2套伺服放大器及伺服电机、QD75系统模块、变频器、三菱可编程序控制器、触摸屏等组成。

通过个人计算机与PLC通讯输入运行程序，设定运行参数后，QD75P2系统模块控制伺服放大器的输出，之后伺服放大器给伺服电机输出信号，伺服电机反馈信号到伺服放大器，从而驱动跟踪圆盘上的磁珠转动；负载圆盘是通过变频器控制的三相异步电动机控制运行速度。工作盘是由交流变频控制，工作盘上可用双面胶固定多个磁钢（?）；图中上端为XY十字工作台（伺服电机控制），考虑到机械强度的问题，Y轴有两个平行轴固定，其中左侧的为主动驱动轴，右侧为从动轴；X轴平面装有霍尔传感器；上方为旋转工作台，工作盘由交流电机（电机的速度由变频器控制）带着转动工作时，在工作盘放入磁钢，当工作盘转动时，X轴上部安装的传感器须一直能够对应到磁钢（XY轴随动，传感器保持检测到磁钢而不脱开）。

构建“PLC+伺服放大器+伺服电机+触摸屏” 的运动控制系统。

电气运动控制是由电力拖动发展而来的,电力拖动或电气传动是对以电动机为对象的控制系统的通称。从电力拖动开始,经历四十多年的发展过程,现代运动控制已成为一个以控制理论为基础，涵盖电机技术、电力电子技术（电力电子器件、电力电子线路）、微电子技术、传感器检测技术、信息处理技术、自动控制技术、微计算机技术和计算机仿真和辅助制造（CAM）技术等许多学科 ,且多种不同学科交叉应用的控制技术。 运动控制系统多种多样,但从基本结构上看,一个典型的现代运动控制系统的硬件主要由上位计算机、运动控制器、功率驱动装置、电动机、执行机构和传感器反馈检测装置等部分组成。其中的运动控制器是指以中央逻辑控制单元为核心,以传感器为信号敏感元件,以电机或动力装置和执行单元为控制对象的一种控制装置它的主要任务是根据运动控制的的逻辑、数学运算,为电机或其它动力和执行装置提供正确的控制信号。 关键词：伺服电机； 系统 ；控制

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目 录

第一章 绪论 ……………………………………………… 1

1.1伺服系统的研究背景及意义 1.2 私服系统的发展

1.3 伺服系统的国内外研究现状 1.4课题研究目的

第二章 系统总体设计方案 ……………………………………5 2.1 系统总体设计

2.2 各功能模块概述

2.2.1.三菱可编程控制器PLC 2.2.2.三菱触摸屏GOT 2.2.3.三菱QD75系统模块 2.2.4.三菱变频器FR-E700 2.2.5.三菱伺服放大器+伺服电机 2.2.6.三菱DA转换模块

第三章 系统的设计 ……………………………………..8

3.1.系统硬件构建 3.2.系统软件设计 3.2.1工作流程图 3.2.2主要软元件配置 3.2.3程序分析与设计 3.3.变频器的配置参数 3.4.伺服系统的配置参数 3.5.触摸屏的编制

第四章 系统调试 ……………………………………………23 第五章 总结……………………………………………………24 附录……………………………………………………………………...25 参考文献………………………………………………………..27

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第一章 绪论

1.1 伺服系统的研究意义

伺服系统是使物体的位置、方位、状态等输出被控量能够跟随输入目标或给定值任意变化的自动控制系统，是控制理论、电力电子技术、电机技术、微电子技术、检测技术等学科相互发展融合的产物，是自动化学科及工业生产领域重要的分支。在机械制造行业、冶金工业，交通运输以及军事上都得到了广泛的应用。

伺服系统强调对控制命令的快速跟踪和响应，所以伺服控制系统可以认为是随动控制系统，既可以是转速的随动控制，也可以是位置的随动控制。在广义的角度上看，电动机的调速系统也可以认为是伺服控制的一种，只不过在调速系统中，强调的被调量是电动机的转速，更加有效的实现功率变换。而伺服系统则强调忠实跟踪给定信号，即按控制器发出的控制命令而动作，并产生足够的力或力矩，使被驱动的机械获得期望的运动速度和位姿。

伺服系统的发展经历了由液压伺服到电气伺服的过程。在电气伺服系统中，按驱动装置的执行元件电动机类型来分，通常分为直流伺服系统和交流伺服系统两大类。六十年代以后，特别是七十年代以来，随着电力电子学、微电子学、传感技术、永磁技术和控制理论的惊人发展，尤其是先进控制策略的成功应用，交流伺服系统的研究和应用取得了举世瞩目的发展，己具备良好的技术性能，其动、静态特性已完全可与直流伺服系统相媲美，交流伺服系统取代直流伺服系统己成定局。其中交流永磁同步电机 (PMSM)又以其结构简单、气隙磁密高、功率密度大、转动惯量小的优点，成为研究的热点。和直流电机相比，交流永磁同步电机没有直流电机的换向器和电刷等缺点，和其他类型交流电动机相比，它由于没有励磁电流，因而功率因数高，力矩惯量比大，定子电流和定子电阻损耗减小，且转子参数可测、控制性能好。现已广泛用于数控机床、工业机器人、超大规模集成电路制造、柔性制造系统、载人宇宙飞船、电动工具以及家用电器等高科技领域。

另一方面，高速数字信号处理芯片(DSP) 的快速发展也对伺服系统的发展起到了推动作用。DSP强大的数据处理能力和高运行速度使得先进的控制技术如矢量控制、直接转矩控制等得以实现。并且DSP芯片内部集成了A/D转换、数字输入/输出、串口通信、电机控制PWM信号输出等接口，使得伺服系统硬件设计更加灵活、简易。

鉴于以上情况，本文对基于DSP的永磁同步伺服电机的速度伺服系统进行了研究。对交流伺服系统的深入研究，对于我国制造业，国防工业，空间技术的发展，缩

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小与世界先进国家的差距，能源节约都有着重要的意义。

1.2 伺服系统的发展

电机控制系统按照驱动电机的类型主要分为直流传动系统和交流传动系统。在70年代直流伺服电机己经实用化了，在各类机电一体化产品中，大量使用着各种结构的直流伺服电动机。传统直流电动机采用的是机械式换向且存在电刷，使其在应用过程中面临着以下一些难以克服的缺点: (1）维护工作量大、维护成本高； (2) 使用寿命短、可靠性低； (3) 结构复杂、体积大、转动惯量大、响应速度慢； (4) 易对其它设备产生干扰、现场环境适应能力差； 从而极大地限制了其在高精度、高性能要求的伺服驱动场合的应用。而交流传动系统的执行机构一般采用感应电机和同步电机。感应电动机，特别是鼠笼型异步电动机一直是传统驱动系统的执行元件，其结构简单、价格便宜、效率较高，但存在着散热和参数容易波动等问题。感应式异步伺服电动机制造容易、价格低，不需要特殊维护。但控制上采用矢量变换控制，因而系统比较复杂。转子电阻随温度变化而影响磁场定向的准确性。同时，低速运行时发热比较严重，而低速运行又往往是机床进给机构经常所处的运行状态。这种类型的交流伺服系统容易进行弱磁控制，实现高速运行，这是一个显著的特点。在交流伺服系统的发展初期，感应式异步电动机交流伺服系统曾一度得到发展和应用，但由于存在上述一些问题，这种系统在机床的进给机构驱动中并未得到普遍的应用。 与感应电机相比，由于永磁同步电机具有结构简单、体积小、效率高、功率因数高、转矩电流比高、转动惯量低、易于散热及维护保养等优点特别是随着永磁材料价格的下降、材料磁性能的提高，以及新型永磁材料的出现，在中小功率、高精度、高可靠性、宽调速范围的伺服系统中以永磁同步电机作为执行机构是越来越多，其应用领域逐步推广，尤其在航空、航大、数控机床、加工中心、机器人等场合已获得广泛的应用。

1.3 伺服系统的国内外发展现状

以前对永磁同步电机的研究由于条件的限制主要停留在固定频率下对电

机运行状态的控制研究，主要针对是电机速度稳定以后的一些特性的研究以及在起动过程中的变化性能研究。同步电机起动时是通过对三相绕组供电产生磁场从而先提供了转矩来对转子实现加速，并且逐渐将转子速度与输入的电压频率同步，从而实现了电机的同步旋转。

1980年以后随着逆变器的发展壮大，国外的一些科研工作者把目光投向利用逆变器对永磁同步电机的控制。逆变器供电的永磁同步电机与直接起动的永磁同步电机的结构基本相同，但在大多数情况下无阻尼绕组。在逆变器供电情况下，永磁同步电机

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3.2.2 PLC系统编程主要软元件配置见表3-2。

表3-2： 主要软元件配置

模块编号 1 2 3 4 5 6 6 7 8 9 10 11 12 软元件地址 SM400 X0 X1 X20 X21 X23 X24 X28 X29 X2A X2B Y4 Y5 作用 PLC准备就绪 QD75准备就绪 同步标志 正转 反转 复位 紧急停止 伺服电机运动方向：上 伺服电机运动方向：下 伺服电机运动方向：左 伺服电机运动方向：右 轴一停止 轴二停止 备注 3.2.3 程序分析与设计

工作程序共分为六大块 ： a.程序初始化

QD75模块在0通道，PLC的CPU先向QD75发送Y0信号，表示PLC准备PLC完成，然后QD75反馈信号X0、X1表明QD75准备就绪和同步完成。中间通过紧急停止Y24的常闭按钮，输出Y40、Y41两个继电器。表明软件和硬件全部准备完成。

b.速度选择

通过X25、X26、X27三个开关选择低速、中速、高速写入到速度存储D60中，后面通过M550把D60中的数据写入K1518、K1618两个轴的jog速度 。在通过D61显示在触摸屏上对应的轴一轴二的速度。

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c.复位操作

上面中间继电器Y40、Y41的状态为ON，通过触摸屏复位开关使得X23为ON，然后置M550为ON，把QD75的复位指令9001写入D32、D42执行机械原点回归，通过QD75专用指令ZP.PSTRT1、ZP.PSTRT2运行“u0”通道中D30、D40中存储的9001步骤指令，从而PLC成功把信号发给伺服放大器，伺服放大器控制伺服电机机械原点复位，当复位完成后M100、M190的状态全部置ON，继续下面步骤。后面速度写入、速度显示都得以执行。

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同样的方法运行QD75的步骤1，使伺服系统运行到圆上的一点。

d.运行监视与显示

为了更好的监视伺服电机的运行状态，我们从H0通道中的K800、K900中读取出两个电机所在的坐标。并将其除以一万方便显示。

为了更加方便的控制电机系统，还设置了手动控制，可以通过外部手动调节，也可以当自动出错后，通过手动控制。

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e.三相异步电动机控制圆盘的运行

系统的圆盘是由三相异步电动机控制，会出现正转和反转两种情况。我队就加入了正反转程序，通过X20、X21两个开关来分别置位M15、M16为ON,M15、M16形成互锁。M15为ON后，把2写入到D22中，再用QD75的专用指令ZP.PSTRT1 \D20 M20，轴一运行第二个步骤，轴二在GX-Configurtor qp中设定成差补，辅助轴一运行轨迹为圆。正转完成后M20为ON，复位M15、M16。方便再一次正反转。

后面加上了紧急停止按钮，在紧急停止可是使得电机在运行中立即停止，以保护人身及设备的安全，而停止按钮X22是停止下面将程序要运行的动作。整个伺服系统中在触摸屏中有Y44做为运行指示灯。

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f.数模转换

首先是PLC的数模转换，输出-10V~10V电压调节变频器的输出，从而改变三相异步电动机的转速；然后是输出的-10V~10V电压调节变频器的输出，从而改变三相异步电动机的转速、转向。

通过TO H6 K0 H0 K1指令往DA模块中的X0中写入0，允许DA模块进行数模转换。而置Y69为ON是允许DA模块允许输出电压。

向D71中写入变换的数据，然后通过指令TO H6 K1 D71 K2把D71的数据变成电压信号，从ch1通道输出到变频器2,、5接口。

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3.3变频器的配置参数见表3-3.

表3-3 变频器的配置参数 运行之前所需设定的参数 参数编号 Pr0 Pr1 Pr2 Pr3 Pr4 Pr5 Pr6 Pr7 Pr8 Pr9 Pr79 Pr125 Pr 126 Pr 160 名称 转矩提升 上限频率 下限频率 基准频率 高速 中速 低速 加速时间 减速时间 电子过电流保护 操作模式选择 端子2设定增益 端子4设定增益 用户参数读取选择 范围 0～30% 0～120Hｚ 0～120 Hｚ 0～400 Hｚ 0～400 Hｚ 0～400 Hｚ 0～400 Hｚ 0～3600ｓ 0～3600ｓ 0～500 Ａ 0、1、2、3、4、6、7 0～400 Hｚ 0～400 Hｚ 0、1、9999 设定值 0 120 0 50 80 50 10 1 1 0.05 2 50 50 0 D/A模块输出数字显示参数设定 Pr73 Pr184 C5 C6 C7 模拟量输入选择 RES端子功能选择 端子4设定偏置频率 端子4设定偏置 端子4设定增益 0、1、10、11 0～5 0～400Hｚ 0～300﹪ 0～300﹪ 10（0～10V且极性可逆） 4（AU信号接通） 0Hｚ 0Hｚ 0Hｚ 18

3.4. 伺服系统的配置参数见表3-4

表3-4 伺服系统的配置参数

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3.5 触摸屏GOT编制

本次制作中，首先用操作监控画面的软件（GT Desinger2）制作GOT的画面；

然后将制作的监控画面数据下载到GOT中；然后与PLC CPU连接运行，开始进行运动控制。本系统采用PLC与触摸屏的传送路径接口是RS－232。

编制触摸屏时，应该设定系统环境，设定型号，确定画面的定格，如下图3-9及图3-10所示

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图3-9 设定系统环境

图 3-10设定画面图

例：M0为主站中软元件所以其网络参数设置为其他站，网路号为0，站号为0。如图4-11所示：

图3-11 触摸屏通讯参数设置

GOT触摸屏主界面图如3-12：

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3-12 系统系统主界面

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