PLC实现伺服电机多段速运动控制1

毕业论文利用PLC实现伺服电机多段速运动控制院系：电气学院专业：楼宇智能化技术班级：楼宇1510姓名：谢浩指导老师：乔老师完成日期：2015.05.毕业设计任务学生姓名：谢浩班级；楼宇1510学号：12303081510301、设计题目：利用PLC实现伺服电机多段速运动控制二、应完成的工作：1.任务（1）完成系统设计与调试（2）完成硬件电路及软件设计（3）完成设计报告2.要求：（1）利用台达PLC控制器DOP-B触摸屏伺服电机伺服驱动器设计一个伺服电机多段速运动控制系统；（2）至少包含一段匀加速一段匀减速两段或两段以上匀速运动过程；（3）速度加减速时间可以通过界面输入（4）伺服电机的运动轨迹和状态（如：加速减速第一段匀速等）需要反应在界面系主任：科室负责人：指导老师：发题日期2015.03.25完成日期2015.05.10摘要可编程控制器（PLC）是以微处理器为核心，将自动控制技术、计算机技术和通信技术融为一体而发展起来的崭新的工业自动控制装置。目前PLC已基本替代了传统的继电器控制而广泛应用于工业控制的各个领域，PLC已跃居工业自动化三大支柱的首位。生产机械往往要求运动部件可以实现正反两个方向的起动，这就要求拖动电动机能作正、反向旋转。由电机原理可知，改变电动机三相电源的相序，就能改变电动机的转向。按下正转启动按钮SB1，电动机正转运行，且KM1,KMY接通。2s后KMY断开，KM接通，即完成正转启动。按下停止按钮SB2，电动机停止运行。按下反转启动按钮SB3，电动机反转运行，且KM2,KMY接通。2s后KMY断开，KM接通，即完成反转启动。关键词：台达PLC，伺服系统，触摸屏，伺服电机Abstract可编程控制器（PLC）是以微处理器为核心，将自动控制技术、计算机技术和通信技术融为一体而发展起来的崭新的工业自动控制装置。目前PLC已基本替代了传统的继电器控制而广泛应用于工业控制的各个领域，PLC已跃居工业自动化三大支柱的首位。Programmablecontroller(PLC)isamicroprocessorasthecore,theautomaticcontroltechnology,computertechnologyandcommunicationtechnologyintegrationandthedevelopmentofnewindustrialautomaticcontroldevice.CurrentlyPLChasbasicallyreplacedthetraditionalrelaycontrolandwidelyusedinvariousfieldsofindustrialcontrolofPLChasleapttothefirstofthethreepillarsofindustrialautomation.生产机械往往要求运动部件可以实现正反两个方向的起动，这就要求拖动电动机能作正、反向旋转。由电机原理可知，改变电动机三相电源的相序，就能改变电动机的转向。按下正转启动按钮SB1，电动机正转运行，且KM1,KMY接通。2s后KMY断开，KM接通，即完成正转启动。按下停止按钮SB2，电动机停止运行。按下反转启动按钮SB3，电动机反转运行，且KM2,KMY接通。2s后KMY断开，KM接通，即完成反转启动。Machineryproductionoftenrequiremovingpartscanachievebothpositiveandnegativedirectionofstarting,whichrequiresmotordrivecanmakepositiveandreverserotation.Themotortheory,changethephasesequenceofthree-phasepowermotor,steeringmotorcanchange.PressforwardstartbuttonSB1,motorforwardoperation,andKM1,KMY.2SKMYopens,KMisswitchedon,tocompletetheforwardstart.SB2pressstopbutton,themotorstopsrunning.PressthestartbuttonSB3,motorreversaloperation,andKM2,KMY.2SKMYopens,KMisswitchedon,tocompletethestart.Keywords: touchscreen DeltaPLC, servosystem, servomotor目录3摘要4Abstract11.1PLC概述11.1.1PLC产生11.1.2PLC定义21.2PLC应用31.3PLC的基本结构31.3.1CPU模块41.3.2I/O模块41.3.3存储器51.3.4电源72.系统总体设计72.1系统框图72.2系统硬件模块72.2.1PLC模块82.2.2伺服驱动器102.2.3伺服电机122.2.4触摸屏12本系统选择DOP-B10S411，实体图如图2.5所示。163.系统硬件设计163.1PLC的特点173.2伺服电机与步进电机183.3PLC控制与继电器控制的比较203.4PLCI/O分配表203.5DOP-B10S41触摸屏功能特点22第4章系统软件设计224.1系统主流程图224.2工作原理244.3软件详细设计244.3.1触摸屏设计及界面设计244.3.2步进梯形图254.3.3梯形图27第5章.软、硬件调试及结果分析30致谢31参考文献第1章PLC概述1.1PLC概述1.1.1PLC产生1969年，美国数字设备公司（DEC）研制出了世界上第一台可编程序控制器，并应用于通用汽车公司的生产线上。当时叫可编程逻辑控制器PLC（ProgrammableLogicController），目的是用来取代继电器，以执行逻辑判断、计时、计数等顺序控制功能。紧接着，美国MODICON公司也开发出同名的控制器，1971年，日本从美国引进了这项新技术，很快研制成了日本第一台可编程控制器。1973年，西欧国家也研制出他们的第一台可编程控制器。随着半导体技术，尤其是微处理器和微型计算机技术的发展，到70年代中期以后，特别是进入80年代以来，PLC已广泛地使用16位甚至32位微处理器作为中央处理器，输入输出模块和外围电路也都采用了中、大规模甚至超大规模的集成电路，使PLC在概念、设计、性能价格比以及应用方面都有了新的突破。这时的PLC已不仅仅是逻辑判断功能，还同时具有数据处理、PID调节和数据通信功能，称之为可编程序控制器（ProgrammableController）更为合适，简称为PC，但为了与个人计算机（Persona1Computer）的简称PC相区别，一般仍将它简称为PLC（ProgrammableLogicController）。1.1.2PLC定义“可编程控制器是一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境下应用而设计。它采用了可编程序的存储器，用来在其内部存储和执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作命令，并通过数字式和模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。可编程控制器及其有关外围设备，都按易于与工业系统联成一个整体、易于扩充其功能的原则设计。”可编程序控制器是应用面最广、功能强大、使用方便的通用工业控制装置，自研制成功开始使用以来，它已经成为了当代工业自动化的主要支柱之一。1.2PLC应用目前，可编程序控制器已经广泛地应用在各个工业部门。随着其性能价格比的不断提高，应用范围还在不断扩大，主要有以下几个方面：（1）逻辑控制可编程序控制器具有“与”、“或”、“非”等逻辑运算的能力，可以实现逻辑运算，用触点和电路的串、并联，代替继电器进行组合逻辑控制，定时控制与顺序逻辑控制。数字量逻辑控制可以用于单台设备，也可以用于自动生产线，其应用领域最为普及，包括微电子、家电行业也有广泛的应用。（2）运动控制可编程序控制器使用专用的运动控制模块，或灵活运用指令，使运动控制与顺序控制功能有机地结合在一起。随着变频器、电动机起动器的普遍使用，可编程序控制器可以与变频器结合，运动控制功能更为强大，并广泛地用于各种机械，如金属切削机床、装配机械、机器人、电梯等场合。（3）过程控制可编程序控制器可以接收温度、压力、流量等连续变化的模拟量，通过模拟量I/0模块，实现模拟量(Analog)和数字量(Digital)之间的A/D转换和D/A转换，并对被控模拟量实行闭环PID（比例-积分-微分）控制。现代的大中型可编程序控制器一般都有PID闭环控制功能，此功能已经广泛地应用于工业生产、加热炉、锅炉等设备，以及轻工、化工、机械、冶金、电力、建材等行业。（4）数据处理可编程序控制器具有数学运算、数据传送、转换、排序和查表、位操作等功能，可以完成数据的采集、分析和处理。这些数据可以是运算的中间参考值，也可以通过通信功能传送到别的智能装置，或者将它们保存、打印。数据处理一般用于大型控制系统，如无人柔性制造系统，也可以用于过程控制系统，如造纸、冶金、食品工业中的一些大型控制系统。（5）构建网络控制可编程序控制器的通信包括主机与远程I/0之间的通信、多台可编程序控制器之间的通信、可编程序控制器和其他智能控制设备(如计算机、变频器)之间的通信。可编程序控制器与其他智能控制设备一起，可以组成“集中管理、分散控制”的分布式控制系统。当然，并非所有的可编程序控制器都具有上述功能，用户应根据系统的需要选择可编程序控制器，这样既能完成控制任务，又可节省资金。1.3PLC的基本结构可编程序控制器简称为PLC（ProgrammableLogicController）,可编程序控制器实际上是一种工业控制计算机，它的硬件结构与一般微机控制系统相似，甚至与之无异。可编程序控制器主要由CPU（中央处理单元）、存储器（RAM和EPROM）、输入/输出模块（简称I/O模块）、编程器和电源五大部分组成。如图1.1所示为PLC的组成结构图。图1.1PLC组成结构1.3.1CPU模块CPU模块又叫中央处理单元或控制器，它主要由微机处理器（CPU）和存储器组成。CPU的作用类似于人类的大脑和心脏。它采用扫描方式工作，每一次扫描要完成以下工作：（1）输入处理：将现场的开关量输入信号和数据分别读入输入映像寄存器和数据寄存器。（2）程序执行：逐条读入和解释用户程序，产生相应的控制信号去控制有关的电路，完成数据的存取、传送和处理工作，并根据运算结果更新各有关寄存器的内容。（3）输出处理：将输出映像寄存器的内容送给输出模块，去控制外部负载。1.3.2I/O模块I/O模块是系统的眼、耳、手、脚，是联系外部现场和CPU模块的桥梁。输入模块用来接收和采集输入信号。输入信号有两类：一类是从按钮、选择开关、数字开关、限位开关、接收开关、关电开关、压力继电器等来的开关量输入信号；另一类是由电位器、热电偶、测速发电机、各种变送器提供的连续变化的模拟量输入信号。可编程序控制器通过输出模块控制接触器、电磁阀、电磁铁、调节阀、调速装置等执行器，可编程序控制器控制的另一类外部负载是指示灯、数字显示装置和报警装置等。CPU模块的工作电压一般是5V，而可编程序控制器的输入/输出信号电压一般较高，如直流24V和交流220V。从外部引入的尖蜂电压和干扰噪声可能损坏CPU模块中的元器件，或使可编程序控制器不能正常工作，所以CPU模块不能直接与外部输入/输出装置相连。I/O模块除了传递信号外，还有电平转换与噪声隔离的作用。1.3.3存储器存储器主要有两种，其一是可读/写操作的随机存储器RAM，另一种是只读存储器或可擦除可编程的只读存储器ROM、PROM、EPROM和EEPROM。（1）系统存储器系统存储器用来存放由PLC生产厂家编写的系统程序，并固化在ROM内，用户不能更改。它使PLC具有基本的功能，能够完成PLC设计者规定的各项工作。系统程序质量的好坏很大程度上决定了PLC的性能。（2）用户存储器用户存储器包括用户程序存储器（程序区）和数据存储器（数据区）两部分。用户程序存储器用来存放用户针对具体控制任务采用PLC编程语言编写的各种用户程序。用户程序存储器根据所选用的存储器单元类型的不同（可以是RAM、EPROM或EEPROM存储器），其内容可以由用户修改或增删。用户数据存储器可以用来存放（记忆）用户程序中所使用器件的ON/OFF状态和数据等。用户存储器的大小关系到用户程序容量的大小，是反映PLC性能的重要指标之一。1.3.4电源PLC的电源是指CPU、存储器和I/O接口等内部电子电路工作所配备的直流开关电源。   一般而言，PLC的基本电源一般有使用ACIOOV/240V与DC24V两种类型。   当PLC采川ACIOOV/240V供电时，通常允许输入电源电压的波动范围为-15%～+10%。如：选择额定输入电压为AC100V时，通常允许输入电压的变化范围为AC85～110V;选择额定输入电压为AC240V时，允许的变化范围为AC200—AC264V。PLC对外部交流电源的频率要求较低，允许的频率变化范围通常为±3Hz，即选择额定输入频率为50Hz时，允许输入频率的变化范围为47～53Hz;选择额定输入频率为60Hz时，允许变化范围为57～63Hz。   当PLC使用DC24V电源时，一般允许输入电压的变化范围为一l5%～+20%(即DC20.4～28.8V，如SIEMENSPLC)，部分PLC可以达到-35%—+30%（即DC15.6～31.2V，如三菱Q系列PLC）。与其他计算机控制系统相比，它对输入电源的要求相对较低，通常容易满足要求。   但为了保证PLC的正常工作，抑制线路干扰，对于交流AC100V/240V供电的PLC，原则上应在电源输入回路加入隔离变压器、浪涌吸收器或者采取稳压措施。PLC输入电源要与设备动力电源、交流控制回路电源、交流输出电源分离配线，并具有独立的保护回路与独立的隔离变压器。   对于直流DC24V供电的PLC，原则上应采用稳压电源供电：至少应通过三相桥式整流、滤波后进行供电；一般不能使用仅通过单相桥式整流的直流电源直接对PLC进行供电。PLC输入电源要与设备直流动力电源、直流控制回路电源、直流输出电源分离配线，并具有独立的保护回路，在系绕组成较复杂时，应使用独立的稳压电源单独对PLC供电。   当系统采用模块化结构时，电源模块的容量应保证满足PLC系统对电源容量的要求，电源模块的额定输出容量应大于系统中全部组成模块所消耗的功率总和，并且留有20%～30%的余量。2.系统总体设计本系统通过PLC控制器实现伺服电机的多段速运行。在PLC程序中设定伺服电机旋转速度，给定PLC输出脉冲额率，实现伺服电机的正、反转，停止等。2.1系统框图本系统主要由计算机、触摸屏、PLC控制器、伺服驱动器、伺服电机与行程开关组成，结构图如图2.1所示。图2.1系统结构图2.2系统硬件模块本系统设计需要的主要硬件：台达PLCDVP-32ES2、伺服驱动器ASDA-AB、伺服电机ECMA-C30604PS、触摸屏DOP-B10S411与4个行程开关。2.2.1PLC模块本系统选用DVP-32ES2，具有以下功能：（1）整合的通讯功能，内建1组RS-232，2组RS-485通讯端口，均支持MODBUS主/从站模式；（2）新推出DVP32ES2-C：CANopen1Mbps通讯型主机，以及DVP30EX2：模拟/温度混合型主机；（3）DVP-ES2提供16/20/24/32/40/60点I/O主机，满足各种应用；（4）DVP20EX2内置12-bit4AI/2AO，同时可搭配14-bitAIO扩展模块，配合内建PIDAutoTuning功能，提供完整的模拟控制解决；（5）DVP30EX2提供模拟/温控整合型控制器，内置16-bit3AI/1AO搭配内置温度PIDAutoTuning功能，提供完整的模拟控制解决方案；（6）32ES2-C内置1MbpsCANopen通讯，结合新一代主机处理速度，以高抗干扰与省配线优势搭建现场设备；（7）程序容量：16ksteps数据寄存器：10kwords；（8）高于同级PLC处理速度，LD：0.54μs，MOV：3.4μs；（9）针对大程序容量，提供高效率处理能力，1ksteps可在1ms内处理完成；（10）提供最高100kHz的脉冲控制，可搭配各种运动控制指令(如遮蔽、对标、立即变更频率等)精确应用于各种多轴运动控制中；（11）多达4重的PLC密码保护，保护使用者的知识产权。DVP-32ES2通讯结构如图2.2所示。图2.2DVP-32ES2通讯结构2.2.2伺服驱动器本系统选择台达400W的伺服驱动器ASD-A0421-AB，属于ASDA-AB系列，此系列的的驱动器的结构说明如图2.3所示。图2.3ASD-A0421-AB接口AB系列支持低、中、高三种惯量的伺服马达，可解决客户在不同扭力应用上的需求。支持Modbus通讯读写，可与台达PLC,HMI构成通讯控制架构。本系列可适用于各种机械加工行业或产业机械。（1）产品特色容量范围:0.1kW~3kWJ；输入电压：AC200V~230V，使用单相/三相输入或三相输入；控制模式：位置/速度/转矩控制模式；内置单轴定位控制功能(分度控制，原点复归，自动循环定位控制，位置教导功能)；支持Modbus通讯协议(通信接口：RS-485/RS-422/RS-232)。（2）行业应用机械加工中心的刀库控制，分度装配系统、封口机、剪床机、送料机、雕刻机、车床、高速卷绕机、检测机、切割机、PCB点胶机、成型机。伺服驱动器按照其控制对象由外到内分为位置环、速度环和电流环，相应伺服驱动器也就可以工作在位置控制模式、速度控制模式和力矩控制模式。当伺服驱动器工作在任意模式下，其对应模式可以由三种方式给定：1、使用模拟量给定；2、参数设置的内部给定；3、通讯给定。参数设置的内部给定应用比较少，为有限的有级调节。使用模拟量给定的优点是响应快，应用于许多高精度高响应的场合，缺点是存在零漂，给调试带来困难，欧系和美系伺服多采用这种方式。脉冲控制兼容常用信号方式：CW/CCW（正反向脉冲）、脉冲/方向、A/B相信号，缺点是响应慢。伺服驱动器的接线很简单，我们只需要按照规定接人相对应的插头即可。将三相电源线L1,L2,L3插头接入CPN1，将伺服电机插头CN2，将编码器插头接入CNP2，控制线插头接入CN1。我们在调试程序时需要用伺服电机的专用软件，通过RS422接口接到伺服系统的CN3上即可。2.2.3伺服电机本系统选用EMCA-C30604PS，实体图如2.4所示。图2.4EMCA-C30604PS实体图（1）输出功率范围100W-2KW；（2）输入电源AC200V-230V（单相/三相≦1.5kW；三相≥2kW）；（3）输入电源AC200V~230V；（4）内置位置/速度/扭矩模式；（5）内置八组位置控制存储器；（6）分度功能控制模式(刀库)；（7）原点搜寻、寸动教导模式；（8）支持标准Modbus；（9）通讯格式RS232/RS485/RS422。最佳应用：机械加工中心的刀库控制，分度装配系统、封口机、剪床机、送料机、雕刻机、车床、高速卷绕机、检测机、切割机、PCB点胶机、成型机。交流伺服电动机的结构主要可分为两部分，即定子部分和转子部分。其中定子的结构与旋转变压器的定子基本相同，在定子铁心中也安放着空间互成90度电角度的两相绕组。其中一组为激磁绕组，另一组为控制绕组，交流伺服电动机一种两相的交流电动机。交流伺服电动机使用时，激磁绕组两端施加恒定的激磁电压Uf，控制绕组两端施加控制电压Uk。当定子绕组加上电压后，伺服电动机很快就会转动起来。通入励磁绕组及控制绕组的电流在电机内产生一个旋转磁场，旋转磁场的转向决定了电机的转向，当任意一个绕组上所加的电压反相时，旋转磁场的方向就发生改变，电机的方向也发生改变。为了在电机内形成一个圆形旋转磁场，要求激磁电压Uf和控制电压UK之间应有90度的相位差，常用的方法有：（1）利用三相电源的相电压和线电压构成90度的移相；（2）利用三相电源的任意线电压；（3）采用移相网络；（4）在激磁相中串联电容器。伺服电机每转一圈所需的脉冲数=编码器分辨率×Pr4B／(Pr48×2^Pr4A)伺服电机所配编码器如果为:2500p/r5线制增量式编码器，则编码器分辨率为10000p/r如您连接伺服电机轴的丝杆间距为20mm，您要做到控制器发送一个脉冲伺服电机行走长度为一个丝(0.01mm)。计算得知：伺服电机转一圈需要2000个脉冲。(每转一圈所需脉冲确定了，脉冲频率与伺服电机的速度的关系也就确定了)三个参数可以设定为：Pr4A=0，Pr48=10000，Pr4B=2000，约分一下则为：Pr4A=0，Pr48=100，Pr4B=20。从上面的叙述可知:设定Pr48,Pr4A,Pr4B这三个参数是根据我们控制器所能发送的最大脉冲频率与所要求的精度。在控制器的最大发送脉冲频率确定后，工艺精度要求越高，则伺服电机能达到的最大速度越低。做好上面的工作，编制好PLC程序，就可以控制伺服运转了。交流伺服电机的优良性能①控制精度高步进电机的步距角一般为1．8。(两相)或0．72。(五相)，而交流伺服电机的精度取决于电机编码器的精度。以伺服电机为例，其编码器为l6位，驱动器每接收2=65536个脉冲，电机转一圈，其脉冲当量为360‘/65536=0，0055；并实现了位置的闭环控制．从根本上克服了步进电机的失步问题。②矩频特性好步进电机的输出力矩随转速的升高而下降，且在较高转速时会急剧下降，其工作转速一般在每分钟几十转到几百转。而交流伺服电机在其额定转速(一般为2000r/min或3000r/rain)以内为恒转矩输出，在额定转速以E为恒功率输出。③具有过载能力以松下交流伺服电机为例，有较好的过载能力。④加速性能好步进电机空载时从静止加速到每分钟几百转，需要200—400ms：交流伺服电机的加速性能较好。2.2.4触摸屏本系统选择DOP-B10S411，实体图如图2.5所示。图2.5DOP-B10S411实体图DOP-B系列是高彩宽屏型，DOP-B10S411台达B系列10寸经济款式人机界面，10"宽屏/65536色TFT/高分辨率，USB下载/打印/U盘//鼠标，开孔尺寸261.3x189.3。特点如下： （1）LCD尺寸：4.7吋、5.6吋、7吋、8吋、10.1吋；（2）显示颜色：65536色TFT；（3）分辨率：320X234、480X234像素、800×480像素，800×600像、1024×600像素；（4）内置3MB/82MBFlashROM；（5）造型时尚现代化,内置高质感MP3/WAV/MIDI音效功能；（6）提供标准型和网络型机型，分别整合SD卡、Ethernet接口，满足用户的不同需求；（7）支持USB上下载，可连接打印机和U盘；（8）具有宏指令精灵，使宏指令使用更便利；（9）多重画面开机功能，可选择从USB/SD卡中任意项目加载，并提供预览画面；（10）提供多种蜂鸣器音调模式供用户选择；（11）支持以太网络。触摸屏的各个功能以及工具定义如图2.6-2.10所示。图2.6DOP-B10S411配置要求图2.7DOP-B10S411绘图工具图2.8DOP-B10S411标准工具栏图2.9DOP-B10S411图形工具栏图2.10DOP-B10S411文字工具栏通过版面设置，我们可以设定触摸屏按钮，分别为启动、停止、复位等。按钮的型号以及大小，需根据触摸屏的大小和分辨率一一对应设计，达到能方便控制触摸屏按钮的目的。3.系统硬件设计3.1PLC的特点（1）编程简单，使用方便梯形图是使用得最多的可编程序控制器的编程语言，其符号与继电器电路原理图相似。有继电器电路基础的电气技术人员只要很短的时间就可以熟悉梯形图语言，并用来编制用户程序，梯形图语言形象直观，易学易懂。（2）控制灵活，程序可变，具有很好的柔性可编程序控制器产品采用模块化形式，配备有品种齐全的各种硬件装置供用户选用，用户能灵活方便地进行系统配置，组成不同功能、不同规模的系统。可编程序控制器用软件功能取代了继电器控制系统中大量的中间继电器、时间继电器、计数器等器件，硬件配置确定后，可以通过修改用户程序，不用改变硬件，方便快速地适应工艺条件的变化，具有很好的柔性。（3）功能强，扩充方便，性能价格比高可编程序控制器内有成百上千个可供用户使用的编程元件，有很强的逻辑判断、数据处理、PID调节和数据通信功能，可以实现非常复杂的控制功能。如果元件不够，只要加上需要的扩展单元即可，扩充非常方便。与相同功能的继电器系统相比，具有很高的性能价格比。（4）控制系统设计及施工的工作量少，维修方便可编程序控制器的配线与其它控制系统的配线比较少得多，故可以省下大量的配线，减少大量的安装接线时间，开关柜体积缩小，节省大量的费用。可编程序控制器有较强的带负载能力、可以直接驱动一般的电磁阀和交流接触器。一般可用接线端子连接外部接线。可编程序控制器的故障率很低，且有完善的自诊断和显示功能，便于迅速地排除故障。（5）可靠性高，抗干扰能力强可编程序控制器是为现场工作设计的，采取了一系列硬件和软件抗干扰措施，硬件措施如屏蔽、滤波、电源调整与保护、隔离、后备电池等。（6）体积小、重量轻、能耗低，是“机电一体化”特有的产品。本系统选择的是伺服电机和PLC控制器来实现电机的多段速运动，原有的系统亦可通过步进电机和继电器方式实现，下面将两个主要模块进行比较说明，本系统的优点。3.2伺服电机与步进电机伺服电机工作原理伺服系统是是使物体的位置，方位，伺服电机状态等输出被控量能够跟随输入目标（或给定值）的任意变化的自动控制系统。伺服主要靠脉冲来定位，基本上可以这样理解，伺服接受到1个脉冲，就会旋转1个脉冲对应的一个角度，从而实现位移，因为伺服电机本身发出脉冲的功能，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，系统就会知道发生了多少脉冲给伺服电机，同时又收回多少脉冲数。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，可以达到0.001mm。直流伺服电机分为有刷和无刷电机，有刷电机成本低，结构简单，启动转矩大，调速范围宽，控制容易，需要维护，但维护不方便（换碳刷），产生电磁干扰，对环境的要求。因此它可以用于对成本敏感普通工业和民用场合。交流伺服电动机的结构主要可分为两部分，即定子部分和转子部分。其中定子的结构与旋转变压器的定子基本相同，在定子铁心中也安放着空间互成90度电角度的两相绕组。其中一组为激磁绕组，另一组为控制绕组，交流伺服电动机一种两相的交流电动机。交流伺服电动机使用时，激磁绕组两端施加恒定的激磁电压Uf，控制绕组两端施加控制电压Uk。当定子绕组加上电压后，伺服电动机很快就会转动起来。通入励磁绕组及控制绕组的电流在电机内产生一个旋转磁场，旋转磁场的转向决定了电机的转向，当任意一个绕组上所加的电压反相时，旋转磁场的方向就发生改变，电机的方向也发生改变。为了在电机内形成一个圆形旋转磁场，要求激磁电压Uj和控制电压UK之间应有90度的相位差，常用的方法有：（1）利用三相电源的相电压和线电压构成90度的移相（2）利用三相电源的任意线电压；（3）采用移相网络；（4）在激磁相中串联电容器。步进电机和伺服电机的区别在于：（1）控制精度不同。步进电机的相数和拍数越多，它的精确度就越高，伺服电机取块于自带的编码器，编码器的刻度越多，精度就越高。（2）控制方式不同；一个是开环控制，一个是闭环控制。（3）低频特性不同；步进电机在低速时易出现低频振动现象，当它工作在低速时一般采用阻尼技术或细分技术来克服低频振动现象，伺服电机运转非常平稳，即使在低速时也不会出现振动现象。交流伺服系统具有共振抑制功能，可涵盖机械的刚性不足，并且系统内部具有频率解析机能（FFT），可检测出机械的共振点便于系统调整。（4）矩频特性不同；步进电机的输出力矩会随转速升高而下降，交流伺服电机为恒力矩输出。（5）过载能力不同；步进电机一般不具有过载能力，而交流电机具有较强的过载能力。（6）运行性能不同；步进电机的控制为开环控制，启动频率过高或负载过大易丢步或堵转的现象，停止时转速过高易出现过冲现象，交流伺服驱动系统为闭环控制，驱动器可直接对电机编码器反馈信号进行采样，内部构成位置环和速度环，一般不会出现步进电机的丢步或过冲的现象，控制性能更为可靠。然而本次设计采用的是伺服电机，不仅位置、运转速度能够精准控制，而且操作简单，原理清晰易掌握。3.3PLC控制与继电器控制的比较PLC、继电器是大家常接触的控制元件，两者作为控制产品，其作用有相同之处，但其控制逻辑却大不相同。PLC控制的优点是功能比继电器控制的多，像模拟量的控制，微积分的控制等等，还有就是可以方便的修改程序，改变控制方法和控制对象。继电器控制只能实现一些简单的逻辑控制。（1）控制逻辑继电器控制逻辑采用硬接线逻辑，利用继电器机械触点的串联或并联及延时继电器的滞后动作等组合成控制逻辑，其连线多而复杂，体积大，功耗大，一旦系统构成后，想再改变或增加功能都很困难。另外继电器触点数目有限，每只一般只有4～8对触点，因此灵活性和扩展性都很差。而PLC采用存储逻辑，其控制逻辑以程序方式存储在内存中，要改变控制逻辑，只需改变程序，故称为“软接线”，其连线少，体积小，加之PLC中每只软继电器的触点数理论上无限制，因此灵活性和扩展性都很好。PLC由中大规模集成电路组成，功耗小。（2）工作方式当电流接通时，继电控制线路中各继电器都处于受约状态，即该吸合的都应吸合，不该吸合的都因受某种条件限制不能吸合。而PLC的控制逻辑中，各继电器都处于周期性循环扫描接。通之中，从宏观上看，每个继电器受制约接通的时间是短暂的。（3）控制速度继电控制逻辑依靠触点的机械动作实现控制，工作频率低。触点的开闭动作一般在几十毫秒数量级。另外机械触点还会出现抖动问题。而PLC是由程序指令控制半导体电路来实现控制的，速度极快，一般一条用户指令的执行时间在微秒数量级。PLC内部还有严格的同步，不会出现抖动问题。（4）限时控制继电控制逻辑利用时间继电器的滞后动作进行限时控制。时间继电器一般分为空气阻尼式、电磁式、半导体式等，其定时精度不高，定时时间易受环境湿度和温度变化的影响，调整时间困难。有些特殊的时间继电器结构复杂，不便维护。（5）计数控制PLC能实现计数功能，而继电控制逻辑一般不具备计数控制功能。（6）设计与施工使用继电控制逻辑完成一项控制工程，其设计、施工、调试必须依次进行，周期长，而且修改困难。工程越大，这一点就越突出。而用PLC完成一项控制工程，在系统设计完成以后，现场施工和控制逻辑的设计(包括梯形图和程序设计)可以同时进行，周期短，且调试和修改都很方便。（7）可靠性和可维护性继电控制逻辑使用了大量的机械触点，连线也多。触点开闭时会受到电弧的损坏，并有机械磨损，寿命短，因此可靠性和可维护性差。而PLC采用微电子技术，大量的开关动作由无触点的半导体电路来完成，它体积小、寿命长、可靠性高。PLC还配备有自检和监督功能，能检查出自身的故障，并随时显示给操作人员，还能动态地监视控制程序的执行情况，为现场调试和维护提供了方便。3.4PLCI/O分配表表3.1PLCI/O分配表3.5DOP-B10S41触摸屏功能特点功能介绍（1）支持多种厂牌的控制器；（2）支持WINDOWS字体的画面编辑器（3）便利的宏指令（4）使用USB快速上下载程序（5）便利的配方功能（6）可同时支持多台不同厂牌的控制器（7）一台人机多台PLC连接功能（8）模拟功能（9）支持USBHOST功能（10）U盘资料备份功能（11）打印功能（12）多重保密功能第4章系统软件设计4.1系统主流程图各主要模块的设计思想及流程、系统时序要求图、触摸屏设计及界面设计、I/0分配表、顺序功能图、梯形图设计时所需要注意的环节。IFD9502连接设备为台达DVP系列可编程控制器4.2工作原理本系统通过伺服电机带动小车实现伺服电机的多段速运动，示意图如图4.1所示。图4.1系统示意图PLC上点时进入RUN状态，初始化脉冲M8002的常开触点闭合一个扫描周期，梯形图中第一行的SET指令将初始步M0置为活动步。在梯形图第二行，M0的STL触点和X1·X2的常开触点组成的串联电路代表转换实现的两个条件。当初始步时按下起动按钮X1，如果3个触点同时闭合，转换的两个条件同时满足。此时M1执行，Y0线圈通电，小车左行，当碰到XO限位开关，限位开关起动。M2步被执行小车右行，同时M2和延时开关通电，并且PLC执行加速延时程序，时间到，小车被加速设定值t0秒到加速速度最大值。在运行到设定值t1秒时，减速运行到小车停止，同时刚好碰到限位开关X1。当t1和限位开关X1同时通电时，小车又开始左行。时序图如图4.2所示。M0M1M2M3代表四步X2为启动按钮限位开关X0X1图4.2时序图4.3软件详细设计4.3.1触摸屏设计及界面设计图4.3触摸屏界面设计4.3.2步进梯形图图4.4SFC设计4.3.3梯形图图4.5LD设计第5章.软、硬件调试及结果分析调试过程中软件所出现的问题及解决方法在调试过程中触摸屏与伺服电机有一段反映时间，这是什么原因导致的，在查阅资料后，了解到波特率的含义和波特率对数据通信的影响（1）波特率在串行通信中,用"波特率"来描述数据的传输速率.所谓波特率,即每秒钟传送的二进制位数,其单位为bps(bitspersecond).它是衡量串行数据速度快慢的重要指标.有时也用"位周期"来表示传输速率,位周期是波特率的倒数.国际上规定了一个标准波特率系列:110、300、600、1200、1800、2400、4800、9600、14.4Kbps、19.2Kbps、28.8Kbps、33.6Kbps、56Kbps.例如:9600bps,指每秒传送9600位,包字符的数位和其它必须的数位,如奇偶校验位等.大多数串行接口电路的接收波特率和发送波特率可以分设置,但接收方的接收波特率必须与发送方的发送波特率相同.通信线上所传输的字符数据(代码)是逐为位传送的,1个字符由若干位组成,因此每秒钟所传输的字符数(字符速率)和波特率是两种概念.在串行通信中,所说的传输速率是指波特率,而不是指字符速率,它们两者的关系是:假如在异步串行通信中,传送一个字符,包括12位(其中有一个起始位,8个数据位,2个停止位),其传输速率是1200b/s,每秒所能传送的字符数是1200/(1+8+1+2)=100个。（2）发送／接收时钟在串行传输过程中,二进制数据序列是以数字信号波形的形式出现的,如何对这些数字波形定时发送出去或接收进来,以及如何对发／收双方之间的数据传输进行同步控制的问题就引出了发送／接收时钟的应用.在发送数据时,发送器在发送时钟(下降沿)作用下将发送移位寄存器的数据按串行移位输出；在接收数据时,接收器在接收时钟(上升盐)作用下对来自通信线上串行数据,按位串行移入移位寄存器.可见,发送／接收时钟是对数字波形的每一位进行移位操作,因此,从这个意义上来讲,发送／接收时钟又可叫做移位始终脉冲.另外,从数据传输过程中,收方进行同步检测的角度来看,接收时钟成为收方保证正确接收数据的重要工具.为此,接收器采用比波特率更高频率的时钟来提高定位采样的分辨能力和抗干扰能力.（3）波特率因子在波特率指定后,输入移位寄存器/输出移位寄存器在接收时钟/发送时钟控制下,按指定的波特率速度进行移位.一般几个时钟脉冲移位一次.要求:接收时钟/发送时钟是波特率的16、32或64倍.波特率因子就是发送／接收1个数据(1个数据位)所需要的时钟脉冲个数,其单位是个／位.如波特率因子为16,则16个时钟脉冲移位1次.例:波特率=9600bps,波特率因子=32,则接收时钟和发送时钟频率=9600×32=297200Hz.（4）传输距离串行通信中,数据位信号流在信号线上传输时,要引起畸变,畸变的大小与以下因素有关:波特率－－信号线的特征(频带范围)。传输距离－－信号的性质及大小(电平高低、电流大小)。当畸变较大时,接收方出现误码。在规定的误码率下,当波特率、信号线、信号的性质及大小一定时,串行通信的传输距离就一定.为了加大传输距离,必须加MODEM。在最后调试阶段，存在一些小的问题，比如PLC输入输出接口和程序定义的接错，在组态软件设计触摸屏时，设定值错误导致按下触摸屏启动按钮是PLC伺服电机没有反映。不过，在老师的指导下，一个一个的解决了这些小的问题，最终PLC控制伺服电机的加速减速运行得以实现。第6章总结毕业设计是专科学习阶段一次非常难得的理论与实际相结合的机会，通过这次比较完整的设计出可逆运行电动机的PLC控制，我摆脱了单纯的理论知识学习状态。通过实际设计相结合，锻炼了我综合运用所学的专业基础知识，解决实际工程问题的能力，同时也提高我查阅文献资料、设计手册、设计规范以及电脑制图等其他专业能力水平。通过这次毕业设计，提高了我的意志力和品质力，提升了自己的忍耐力，懂得了怎样缓解压力，学会了独立思考、逻辑思维、提出问题、分析问题、解决问题的方法。这是我们希望看到的，也正是我们进行毕业设计的目的所在。虽然毕业设计内容繁多，过程繁琐，但我的收获却更加丰富。通过与刘老师的沟通和交流，我了解到此系统的适用条件，此设备的选用标准，以及各种器件适用性。我的能力也得到了提高，提高是有限的但提高也是全面的，正是这一次设计让我积累了无数实际经验，使我的头脑更好的被知识武装了起来，也必然会让我在未来的工作学习中表现出更高的应变能力，更强的沟通力和理解力。最终按质按量完成本次设计。我的收获是很难用语言来描述的。非常感谢各位老师的指导与帮助。顺利如期的完成本次毕业设计给了我很大的信心，让我了解专业知识的同时也对本专业的发展前景充满信心。无论PLC控制电机正反转系统怎么复杂，我都采用了一些新的技术和设备。它们有着很多的优越性，但也存在一定的不足，这些不足在一定程度上限制了我们的创造力。今后我更会关注新技术新设备新工艺的出现，并争取尽快的掌握这些先进的知识，更好的为社会做出应有的贡献，为祖国的四化服务。我们衷心希望，我国科技界，产业界和教育界通力合作，把握好知识经济给我们带来的难得机遇，迎接竞争全球化带来的严峻挑战，为在21世纪使我国数控技术和产业走向世界的前列，使我国经济继续保持强劲的发展势头而共同努力奋斗！致谢毕业设计能顺利完成，是因为在设计当中我得到了许多人的帮助。我的毕业设计终于完成了。虽然中间有着不完美，但却是我自己不断地查阅资料、思考和动手的结果。经过几个月的忙碌和工作，本次毕业设计已经接近尾声，作为一个专科生的毕业设计，由于经验的匮乏，难免有许多考虑不周全的地方，如果没有导师的督促指导，以及一起工作的同学们的支持，想要完成这个设计是难以想象的。首先非常感谢我的指导老师乔社娟导师。从课题的选取、研究、到总体设计的结束。她都帮助我解决了不少困难。为了我们的毕业设计，她到处给我们找资料，鼓气。其次，要感谢其他的每一位任课老师的指导和建议，在我们本次设计中，你们勤奋工作，为我们克服了许多我们曾经碰到的困难来帮助我们完成此次毕业设计，给了我很大的帮助。如果没有你们的帮助，这次设计的完成将变得更加困难。最后，要感谢我的父亲母亲。他们一直是我的坚强后盾，无论何时何地，都有亲切的鼓励与温暖的关心，让我在任何时候都不放弃希望，坚强前行！参考文献廖常初《PLC基础及应用（FX系列）》机械工业出版社2009.6候进旺《建筑电气控制技术》机械工业出版社2010.5高钦和.《可编程控制器应用技术与设计实例》.北京人民邮电出版社.2004。李长久.《PLC原理及应用》.机械工业出版社.2010。伺服电机：台达公司伺服电机ECMA-C30604ES；伺服电机驱动器：ASDA-AB伺服驱动器ASD-A0421-AB，及应用手册；PAGE