東南大學(xué)基于西門子S7300PLC三軸聯(lián)動機(jī)器人的編程設(shè)計

1、題 目基于西門子S7-300PLC的三軸聯(lián)動機(jī)器人編程設(shè)計_自動化學(xué)院_院（系） 自動化_專業(yè)學(xué)號08010#姓名學(xué)生姓名指導(dǎo)教師第一指導(dǎo)教師顧問教師第二指導(dǎo)教師（可不填寫）起止日期2013.12.20 2014.06.10設(shè)計地點(diǎn)東南大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文）報告摘要PLC控制的三軸聯(lián)動系統(tǒng)設(shè)計摘要在工業(yè)自動化的發(fā)展過程中，多軸立式系統(tǒng)越來越多地應(yīng)用到工業(yè)生產(chǎn)中。由于PLC的穩(wěn)定性和伺服電機(jī)的高精度特性，PLC控制的多軸伺服系統(tǒng)已經(jīng)成為滿足高度自動化高精度需求的一大趨勢。PLC控制的三軸聯(lián)動設(shè)計時穩(wěn)定的多軸系統(tǒng)的基礎(chǔ)。該系統(tǒng)以PLC為核心控制器，提供高穩(wěn)定性和高度抗干擾能力的控制器。三軸上的伺服電

2、機(jī)以其高精度和適合頻繁通斷的特性為系統(tǒng)保證了高精度位置需求和頻繁啟停的需求。本文介紹了基于三個伺服電機(jī)的和一個三相異步電機(jī)組成的移物系統(tǒng)，在PLC中通過對開關(guān)信號、各軸上的傳感器輸入信號和內(nèi)部計時器定時器信號進(jìn)行綜合處理，并通過一定的時序讓系統(tǒng)有機(jī)運(yùn)行，系統(tǒng)的各個部分各個軸按時序邏輯運(yùn)行。最終實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的移物功能，并能抵抗掉電等意外干擾因素，使系統(tǒng)能夠穩(wěn)定、安全地運(yùn)行。 本模板的快捷鍵說明，請仔細(xì)閱讀：關(guān)鍵詞：西門子、PLC、伺服電機(jī)、三軸聯(lián)動、精確定位 . IV .東南大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文）報告AbstractThree-axis control system design of PLCAbst

3、ractIn the process of development of industrial automation, multi-axis vertical systems are increasingly applied to industrial production. Due to the stability and precision characteristics PLC servo motor, PLC controlled multi-axis servo system has become highly automated precision to meet the dema

4、nds of a major trend.PLC-based control of three-axis stabilized design of multi-axis systems. The system PLC as the core controller, providing high stability and high anti-jamming capability of the controller. On-axis servo motor with high precision and suitable for frequent on-off characteristics o

5、f the system to ensure the accuracy position needs and the needs of the frequent start-stop.This article describes the physical system is based on three-shift servo motor and a three-phase asynchronous motors composed in the PLC through the switching signal, sensor input signal and the internal time

6、r timer signal processing integrated along each axis, and through a certain the timing of the various parts of the system so that the organic operation, the system's various axes run by temporal logic. Ultimately the system move things function, and can resist accidental power-down and other con

7、founding factors, enabling the system to a stable and safe operation.KEYWORDS: Siemens, PLC, Servo motor, Three-axis, Precise positioning東南大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文）報告目錄目錄摘要IABSTRACTII第1章 緒論11.1 項(xiàng)目背景11.2 項(xiàng)目設(shè)計任務(wù)21.3 項(xiàng)目設(shè)計思想21.4 運(yùn)行設(shè)備與環(huán)境21.5 本文研究內(nèi)容及各章安排31.5.1 各章安排31.5.2 課題關(guān)鍵問題和難點(diǎn)3第2章 總體設(shè)計42.1 系統(tǒng)硬件的總體設(shè)計42.1.1 硬件總體框架42.1

8、.2 PLC控制三軸電機(jī)42.2 系統(tǒng)軟件的總體設(shè)計52.2.1 數(shù)據(jù)存儲與查詢5第3章 系統(tǒng)硬件設(shè)計83.1 PLC簡介83.1.1 PLC的定義83.1.2 PLC的發(fā)展和未來83.1.3 PLC的工作原理83.1.4 PLC的優(yōu)點(diǎn)93.2 系統(tǒng)PLC配置103.2.1 S7-300 CPU的基本結(jié)構(gòu)103.2.2 S7-300 CPU的基本結(jié)構(gòu)123.2.3 S7-300 CPU的輸入輸出模式123.3 伺服電機(jī)簡介143.3.1 伺服電機(jī)的基本常識143.3.2 伺服電機(jī)的工作原理143.3.3 伺服電機(jī)的優(yōu)點(diǎn)153.3.4 交流伺服系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)153.3.5 伺服電機(jī)與步進(jìn)電機(jī)相比

9、的優(yōu)點(diǎn)153.4 伺服電機(jī)驅(qū)動器163.4.1 伺服電機(jī)驅(qū)動器的結(jié)構(gòu)163.4.2 伺服電機(jī)驅(qū)動器內(nèi)部結(jié)構(gòu)及接線183.4.3 伺服電機(jī)驅(qū)動器的參數(shù)設(shè)置193.4.4 傳送帶機(jī)械結(jié)構(gòu)253.4.5 系統(tǒng)引腳分配26第4章 系統(tǒng)軟件設(shè)計304.1 軟件設(shè)計概略304.2 各個動能塊軟件設(shè)計314.2.1 系統(tǒng)的硬件配置314.2.2 脈沖輸出設(shè)計324.2.3 電機(jī)定位設(shè)計354.2.4 數(shù)據(jù)觀測374.2.5 掉電保護(hù)384.2.6 不同形狀擺放39第5章 系統(tǒng)調(diào)試415.1 硬件部分的調(diào)試415.2 軟件部分的調(diào)試425.2.1 脈沖輸出的調(diào)試425.2.2 程序編輯的調(diào)試43第6章 總結(jié)與

10、展望44參考文獻(xiàn)45致謝46東南大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文）報告第6章 總結(jié)與展望第1章 緒論1.1 項(xiàng)目背景隨著工業(yè)自動化的發(fā)展，現(xiàn)實(shí)生產(chǎn)中對自動化程度和生產(chǎn)工藝的要求越來越高，簡單的一臺電機(jī)已經(jīng)不能滿足要求。生產(chǎn)工藝不斷復(fù)雜化，多軸運(yùn)動的控制系統(tǒng)越來越多地運(yùn)用到工業(yè)生產(chǎn)中。因此，多軸控制系統(tǒng)在工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域有著很高的的地位，是備受關(guān)注的研究課題。多軸聯(lián)動是指在一臺機(jī)床上的多個坐標(biāo)軸(包括直線坐標(biāo)和旋轉(zhuǎn)坐標(biāo))上同時進(jìn)行加工，而且可在計算機(jī)數(shù)控系統(tǒng)(CNC)的控制下同時協(xié)調(diào)運(yùn)動進(jìn)行。多軸聯(lián)動加工可以提高空間自由曲面的加工精度、質(zhì)量和效率?，F(xiàn)代數(shù)控加工正向高速化、高精度化、高智能化、高柔性化、高自動化和高

11、可靠性方向發(fā)展，而多坐標(biāo)軸數(shù)控機(jī)床正體現(xiàn)了這一點(diǎn)。多軸聯(lián)動的關(guān)鍵點(diǎn)就在于時序邏輯的整理，通過采集開關(guān)信號、接近開關(guān)等傳感器的信號輸入，控制器要做出相應(yīng)的處理，并做出相應(yīng)的響應(yīng)輸出。在每一種不同的信號或者條件下做出不同的輸出響應(yīng)是控制器實(shí)現(xiàn)多軸聯(lián)動的關(guān)鍵所在。任何一種時序錯誤都會導(dǎo)致嚴(yán)重的后果。在輸入或者程序內(nèi)部出現(xiàn)意外故障或干擾時應(yīng)該采取的是安全地應(yīng)急措施，而不能出現(xiàn)機(jī)械跑飛的危險現(xiàn)象。隨著加工技術(shù)的不斷發(fā)展和完善，其中包含了程序的編寫日益簡單，這在很大程度上減輕了工程師們在程序上的計算量，同時也減輕了機(jī)床操作者的工作量和提高了生產(chǎn)效率。可編程控制器在工業(yè)級的控制領(lǐng)域應(yīng)用最廣泛的工業(yè)計算機(jī)，是

12、一種數(shù)字運(yùn)算操作的電子系統(tǒng)，專為工業(yè)環(huán)境設(shè)計的一種工業(yè)控制計算機(jī)，采用面向用戶的指令，編程方便。PLC在傳統(tǒng)的對開關(guān)量處理的基礎(chǔ)上，又增加了數(shù)字運(yùn)算及對模擬信號處理的能力，使PLC擁有巨大的發(fā)展前景。伺服系統(tǒng)又稱隨動系統(tǒng)，是用來精確地跟隨或復(fù)現(xiàn)某個過程的反饋控制系統(tǒng)。伺服系統(tǒng)主要由三部分組成：控制器，功率驅(qū)動裝置，反饋裝置和電動機(jī)。伺服系統(tǒng)使物體的位置、方位、狀態(tài)等輸出被控量能夠跟隨輸入目標(biāo)的任意變化的自動控制系統(tǒng)。交流伺服電機(jī)自帶編碼器反饋，能夠準(zhǔn)確地進(jìn)行位置定位，還能夠消除“自轉(zhuǎn)”現(xiàn)象，提高了系統(tǒng)的準(zhǔn)確性，在實(shí)際的生產(chǎn)應(yīng)用中越來越普及，是控制系統(tǒng)精確化的一大推動力。因此利用PLC控制交流伺

13、服的三軸聯(lián)動可以實(shí)現(xiàn)控制系統(tǒng)的高度穩(wěn)定和精確，能夠帶來更高的效率。三軸聯(lián)動可以高效實(shí)現(xiàn)物件的搬移和器件的加工，并且是五軸聯(lián)動的基礎(chǔ)，而五軸聯(lián)動是一種科技含量高、精密度高專門用于加工復(fù)雜曲面的機(jī)床，是一個國家工業(yè)生產(chǎn)水平的標(biāo)志。因此研究和設(shè)計PLC的三軸聯(lián)動系統(tǒng)具有良好的工程實(shí)用背景，可以在大學(xué)中熟悉實(shí)際生產(chǎn)中的數(shù)控技術(shù)的基本運(yùn)用，為以后的工作打好基礎(chǔ)。1.2 項(xiàng)目設(shè)計任務(wù)本次任務(wù)是完成一個用于實(shí)際工業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場的PLC控制的三軸聯(lián)動的移物系統(tǒng)，基于西門子S7-300PLC核心控制器的軟件編程。硬件則是由一個三相異步電機(jī)的傳送帶和三個臺達(dá)伺服電機(jī)組成的三軸系統(tǒng)。在這次設(shè)計中，首先得完成機(jī)械的硬件配

14、置，將機(jī)械臺上的電機(jī)、按鍵開關(guān)、接近開關(guān)等器件的輸入信號接入核心控制器PLC。硬件配置中的重點(diǎn)是完成伺服電機(jī)驅(qū)動器的硬件配置和其中各個參數(shù)的設(shè)置，驅(qū)動器連接的是控制器PLC和執(zhí)行器伺服電機(jī)，要將PLC的輸出信號轉(zhuǎn)化為直接控制電機(jī)的控制信號，并將伺服電機(jī)的光電編碼器信號回饋到驅(qū)動器中實(shí)現(xiàn)閉環(huán)，從而實(shí)現(xiàn)電機(jī)的精確位置控制。硬件系統(tǒng)完成后就是核心控制器的編程，S7-300是西門子模塊化PLC的代表。對于應(yīng)用于實(shí)際的工業(yè)設(shè)備，在保證系統(tǒng)安全性和穩(wěn)定性的前提下，提高系統(tǒng)的速率和實(shí)時性，系統(tǒng)各部分輸入輸出的時序操作是系統(tǒng)編程的核心部分。處理好各個部分的時序問題才能實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)安全、穩(wěn)定、高效工作的目的。1.3

15、 項(xiàng)目設(shè)計思想本次設(shè)計是基于工業(yè)生產(chǎn)機(jī)械臺的三軸伺服系統(tǒng)，控制器為西門子S7-300PLC，CPU為313C-2DP。設(shè)計中首先要完成硬件系統(tǒng)的連接配置，將傳送帶和三軸伺服電機(jī)的驅(qū)動器的輸入輸出信號接入控制器，伺服電機(jī)的光電編碼器信號接入驅(qū)動器形成閉環(huán)實(shí)現(xiàn)電機(jī)位置的精確控制，并設(shè)置調(diào)節(jié)驅(qū)動器的配置參數(shù)，讓電機(jī)以最合適的狀態(tài)工作。軟件設(shè)計中，若遇偶然因素發(fā)生意外，系統(tǒng)應(yīng)該保持關(guān)閉狀態(tài)以保證安全。在正常運(yùn)轉(zhuǎn)中，開啟電源后，傳送帶開始工作。若接近開關(guān)檢測到有物料到達(dá)則傳送帶停止轉(zhuǎn)動，三軸系統(tǒng)開始運(yùn)作：Z軸下移至物料處，啟動電磁閥，吸住物料，Z軸上升至原位；啟動X軸和Y軸到達(dá)指定位置；啟動Z軸到達(dá)放置

16、處，關(guān)閉電磁閥，Z軸回到原位；啟動X軸和Y軸回到初始位置則完成一個周期，下一次取放物料的時候則改變放置位置，重復(fù)當(dāng)前過程。系統(tǒng)設(shè)計中采用主體循環(huán)的方式，在每次循環(huán)中整理好各個部分的時序邏輯，并兼顧意外干擾的處理，由此可以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的功能需求。1.4 運(yùn)行設(shè)備與環(huán)境三軸聯(lián)動取物機(jī)械臺一臺西門子S7-313C-2DP PLC一臺STEP 7/Miro WIN 軟件氣缸、電磁閥組件一套1.5 本文研究內(nèi)容及各章安排1.5.1 各章安排本文詳細(xì)介紹了基于PLC控制三軸聯(lián)動機(jī)械臺的控制系統(tǒng)，并給出了整體硬件系統(tǒng)的連接配置和軟件系統(tǒng)的詳細(xì)設(shè)計過程。各章安排如下：第1章 緒論：介紹項(xiàng)目背景與任務(wù)，并結(jié)合對象給

17、出了設(shè)計的核心思想，以及相應(yīng)的軟硬件運(yùn)行環(huán)境。第2章 系統(tǒng)的總體設(shè)計：介紹項(xiàng)目的總體設(shè)計需求和構(gòu)架。第3章 硬件部分設(shè)計：介紹說明系統(tǒng)硬件部分的設(shè)計。第4章 硬件部分設(shè)計：詳細(xì)介紹說明系統(tǒng)軟件編程的設(shè)計。第5章 系統(tǒng)的調(diào)試：介紹在系統(tǒng)設(shè)計中軟硬件的調(diào)試過程。第6章 總結(jié)：總結(jié)本項(xiàng)目內(nèi)容與任務(wù)，并對軟件可行性進(jìn)行了說明。1.5.2 課題關(guān)鍵問題和難點(diǎn)1、系統(tǒng)三維坐標(biāo)：建立三維坐標(biāo)是三軸聯(lián)動系統(tǒng)的基本，所有的時序控制和執(zhí)行動作都是基于合適的坐標(biāo)系的，建立適當(dāng)?shù)淖鴺?biāo)是完成三軸系統(tǒng)的必備前提。2、伺服電機(jī)的控制：伺服電機(jī)是實(shí)現(xiàn)精確位置控制的執(zhí)行器，要利用伺服電機(jī)的“無自轉(zhuǎn)”特性和伺服電機(jī)的編碼器反饋幫

18、助精確定位，實(shí)現(xiàn)電機(jī)的實(shí)時控制和準(zhǔn)確定位和是完成系統(tǒng)功能的基本。3、系統(tǒng)各部分時序控制的配合：正確合理地時序邏輯控制是系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行的關(guān)鍵。啟動電源后，須先檢測是否有物件到達(dá)；若有，在拿取物件時，應(yīng)啟動Z軸，到達(dá)物料時開啟電磁閥，然后Z軸反轉(zhuǎn)回原位置；然后啟動X、Y軸到達(dá)指定位置；放下物料；再回歸原點(diǎn)。在整個循環(huán)過程中確定優(yōu)先級，在其中的一個工作過程中要及時響應(yīng)意外干擾信號，保證系統(tǒng)安全，同時要屏蔽一部分信號延時處理或者不處理。各個部分的協(xié)調(diào)配合，按照合理地時序邏輯運(yùn)行是三軸系統(tǒng)的關(guān)鍵點(diǎn)和難點(diǎn)，此部分需要研究三軸的配合運(yùn)作算法。5、控制器PLC的編程：這是系統(tǒng)的核心控制部分，在PLC編程準(zhǔn)確

19、實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)各部分的時序邏輯是編程中最主要的任務(wù)，也是主要的難點(diǎn)。第2章 總體設(shè)計2.1 系統(tǒng)硬件的總體設(shè)計2.1.1 硬件總體框架系統(tǒng)主要由控制器PLC、傳送帶三相異步電機(jī)及變頻器、三軸伺服電機(jī)及驅(qū)動器、人機(jī)交互按鍵開關(guān)、電磁閥及氣缸等部分組成。三軸聯(lián)動控制系統(tǒng)的核心控制器為PLC，實(shí)際選用的是西門子S7-300型號。由PC機(jī)與PLC連接進(jìn)行編程、調(diào)試等操作，PLC還可以通過RS485與其他結(jié)構(gòu)進(jìn)行通信；PLC的最主要功能是根據(jù)所編寫程序控制三軸伺服電機(jī)驅(qū)動器和傳動帶電機(jī)的變頻器，根據(jù)開關(guān)按鈕、接近開關(guān)或者程序內(nèi)部的信號輸入向驅(qū)動器輸出控制信號：電機(jī)使能信號、方向控制信號、脈沖信號、異警信號等；

20、驅(qū)動器由電源供電，根據(jù)PLC輸入的脈沖信號調(diào)節(jié)輸出電壓U、V、W以控制伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)速，脈沖數(shù)量決定電機(jī)的轉(zhuǎn)動距離。伺服電機(jī)的光電編碼器信號回饋到伺服驅(qū)動器中，使系統(tǒng)閉環(huán)，實(shí)現(xiàn)精確的位置控制。圖 2-1 系統(tǒng)總體控制結(jié)構(gòu)圖2.1.2 PLC控制三軸電機(jī)PLC是系統(tǒng)的核心控制器，三軸聯(lián)動取物系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)就是PLC按照時序控制傳送帶異步電機(jī)和三軸伺服電機(jī)按照一定時序運(yùn)行相應(yīng)距離，加上電磁閥的協(xié)調(diào)配合從而實(shí)現(xiàn)取物放物并且精確定位的過程。PLC在按鍵啟動后使傳動帶電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，在無意外干擾的情況下檢測到有物料到達(dá)（接近開關(guān)有輸入），則停止傳動帶，啟動X、Y、Z三軸伺服電機(jī)，進(jìn)行吸物料、移位、放物料、回原位的操

21、作過程。因此三軸系統(tǒng)最主要的控制部分就在于PLC控制傳動帶三相異步電機(jī)和三個軸上的三個伺服電機(jī)，使之協(xié)調(diào)配合運(yùn)作，實(shí)現(xiàn)縮要求的工作。圖 2-2 PLC控制系統(tǒng)電機(jī)示意圖傳動帶的三相異步電機(jī)由變頻器驅(qū)動，屬于開環(huán)控制，PLC僅控制電機(jī)的啟停。有接近開關(guān)的輸入即表明有物料到達(dá)，則停止電機(jī)，取物后則啟動電機(jī)，對速度和停止時間沒有要求。三個軸上的伺服電機(jī)由其對應(yīng)的驅(qū)動器驅(qū)動，PLC輸出的使能信號控制其啟停，方向信號控制其轉(zhuǎn)動方向，脈沖信號的頻率和數(shù)量控制其速度和移動的距離。伺服電機(jī)上的光電編碼器檢測信號反饋到驅(qū)動器上形成閉環(huán)回路，則驅(qū)動器可以根據(jù)反饋的信號調(diào)整輸出的脈沖從而實(shí)現(xiàn)電機(jī)的精確定位。PLC控

22、制四個電機(jī)的運(yùn)動是系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)取放物料功能的主體部分，也是系統(tǒng)軟硬件設(shè)計的重點(diǎn)，從每一個單軸的控制開始由簡到繁，最終實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)多軸的有機(jī)結(jié)合，會使系統(tǒng)的設(shè)計更為簡單實(shí)際，并且更方便調(diào)試。2.2 系統(tǒng)軟件的總體設(shè)計2.2.1 數(shù)據(jù)存儲與查詢系統(tǒng)軟件設(shè)計是基于系統(tǒng)硬件的構(gòu)成在PLC中的軟件編程，這是系統(tǒng)控制部分的核心，也是關(guān)鍵所在。系統(tǒng)軟件的重點(diǎn)在于時序，PLC的LAD梯形圖編程語言是以后總很形象的語言，語言的邏輯類似于匯編。因此應(yīng)該深刻理解LAD語言的含義和原理，在編程時注重時序邏輯，由簡到繁，步步為營。程序中的時序關(guān)系著系統(tǒng)運(yùn)行的安全性、穩(wěn)定性和正確性。在每一種情況下根據(jù)不同的優(yōu)先級確定優(yōu)先響應(yīng)的步

23、驟，只有把每一個部分的時序邏輯建立完善，并且融入系統(tǒng)整體中，才能實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的安全穩(wěn)定的運(yùn)行，防止發(fā)生意外事故。為了實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)清晰的時序邏輯，系統(tǒng)的工作的流程圖就格外重要。大至系統(tǒng)宏觀的軟件結(jié)構(gòu)，小至每一個小子程序都需要有正確的流程，有了正確的流程才能有正確的邏輯，有了正確合理地邏輯才能實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)所需的功能要求，使系統(tǒng)程序不至于跑飛出現(xiàn)系統(tǒng)故障，以保證系統(tǒng)的安全和穩(wěn)定性。圖 2-3 系統(tǒng)軟件設(shè)計的模塊圖系統(tǒng)的工作流程圖表明系統(tǒng)軟件設(shè)計的幾個主要部分：啟動后的初始化，檢測機(jī)械手是否在三維坐標(biāo)的原點(diǎn)處，如果是則不動，如果不是則將X、Y、Z三軸回歸零點(diǎn)，完成初始化；初始化完成后啟動傳動帶電機(jī)，并且開始檢測是

24、否有物料到達(dá)；如果有物料到達(dá)則停止傳送帶轉(zhuǎn)動，移動機(jī)械手吸取物料再移動至指定位置，放下物料，并且回歸原點(diǎn)；在完成一個過程后把物料堆放的位置信息存入保護(hù)區(qū)，以防掉電等意外情況。當(dāng)下一個物料到達(dá)時，則按程序要求更改目標(biāo)存放位置，進(jìn)行下一個循環(huán)。為了保證系統(tǒng)運(yùn)行的安全，要求電源的24V開關(guān)能夠控制所有電機(jī)和傳感器的通斷，擁有第二高的優(yōu)先級，所有的功能流程應(yīng)當(dāng)在開關(guān)按鈕打開后才能運(yùn)行；當(dāng)按下關(guān)閉按鈕后，所有電機(jī)能夠處于關(guān)閉狀態(tài)，防止發(fā)生不可控的意外。而急停開關(guān)則是另一道保險，按下急停開關(guān)后，應(yīng)當(dāng)能切斷所有設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，這是在程序跑飛或者機(jī)械失控時緊急啟用的，所以應(yīng)該擁有最高的優(yōu)先級，防止發(fā)生意外事故

25、時帶來的嚴(yán)重后果。第3章 系統(tǒng)硬件設(shè)計3.1 PLC簡介3.1.1 PLC的定義PLC即可編程控制器（Programmable logic Controller），是指以計算機(jī)技術(shù)為基礎(chǔ)的新型工業(yè)控制裝置，是一種專門為在工業(yè)環(huán)境下應(yīng)用而設(shè)計的數(shù)字運(yùn)算操作的電子裝置。它采用可以編制程序的存儲器，用來在其內(nèi)部存儲執(zhí)行邏輯運(yùn)算、順序運(yùn)算、計時、計數(shù)和算術(shù)運(yùn)算等操作的指令，并能通過數(shù)字式或模擬式的輸入和輸出，控制各種類型的機(jī)械或生產(chǎn)過程。PLC及其有關(guān)的外圍設(shè)備都應(yīng)該按易于與工業(yè)控制系統(tǒng)形成一個整體，易于擴(kuò)展其功能的原則而設(shè)計。3.1.2 PLC的發(fā)展和未來PLC經(jīng)過上個世紀(jì)幾個階段的發(fā)展已經(jīng)獲得了巨

26、大成果，進(jìn)入了相當(dāng)成熟的階段，在現(xiàn)代工業(yè)中占據(jù)極為重要的地位。70年代中末期，可編程控制器進(jìn)入實(shí)用化發(fā)展階段，計算機(jī)技術(shù)全面引入可編程控制器中，其功能發(fā)生了飛躍。80年代初，可編程控制器在先進(jìn)工業(yè)國家中已獲得廣泛應(yīng)用。20世紀(jì)末期，可編程控制器的發(fā)展特點(diǎn)是更加適應(yīng)于現(xiàn)代工業(yè)的需要。這個時期發(fā)展了大型機(jī)和超小型機(jī)，用于各式各樣的控制場合。21世紀(jì)，PLC會有更大的發(fā)展。計算機(jī)技術(shù)的新成果會更多地應(yīng)用于可編程控制器的設(shè)計和制造上，將會有運(yùn)算速度更快、存儲容量更大、智能更強(qiáng)的品種出現(xiàn)?？删幊炭刂破骱推渌I(yè)控制計算機(jī)組網(wǎng)構(gòu)成大型的控制系統(tǒng)是可編程控制器技術(shù)的發(fā)展方向。伴隨著計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展，PLC作

27、為自動化控制網(wǎng)絡(luò)和國際通用網(wǎng)絡(luò)的重要組成部分，將在工業(yè)及工業(yè)以外的眾多領(lǐng)域發(fā)揮越來越大的作用。3.1.3 PLC的工作原理當(dāng) PLC投入運(yùn)行后，其工作過程一般分為三個階段，即輸入采樣、用戶程序執(zhí)行和輸出刷新三個階段。完成上述三個階段稱作一個掃描周期。在整個運(yùn)行期間，PLC的CPU以一定的掃描速度重復(fù)執(zhí)行上述三個階段。3.1.3.1 輸入采樣階段在輸入采樣階段，PLC以掃描方式依次地讀入所有輸入狀態(tài)和數(shù)據(jù)，并將它們存入I/O映象區(qū)中的相應(yīng)得單元內(nèi)。輸入采樣結(jié)束后，轉(zhuǎn)入用戶程序執(zhí)行和輸出刷新階段。在這兩個階段中，即使輸入狀態(tài)和數(shù)據(jù)發(fā)生變化，I/O映象區(qū)中的相應(yīng)單元的狀態(tài)和數(shù)據(jù)也不會改變。因此，如果

28、輸入是脈沖信號，則該脈沖信號的寬度必須大于一個掃描周期，才能保證在任何情況下，該輸入均能被讀入。3.1.3.2 用戶程序執(zhí)行階段在用戶程序執(zhí)行階段， PLC總是按由上而下的順序依次地掃描用戶程序。在掃描每一條梯形圖時，按先左后右、先上后下的順序?qū)τ捎|點(diǎn)構(gòu)成的控制線路進(jìn)行邏輯運(yùn)算，然后根據(jù)邏輯運(yùn)算的結(jié)果，刷新該邏輯線圈在系統(tǒng)RAM存儲區(qū)中對應(yīng)位的狀態(tài)；或者刷新該輸出線圈在I/O映象區(qū)中對應(yīng)位的狀態(tài)；或者確定是否要執(zhí)行該梯形圖所規(guī)定的特殊功能指令。即在用戶程序執(zhí)行過程中，只有輸入點(diǎn)在I/O映象區(qū)內(nèi)的狀態(tài)和數(shù)據(jù)不會發(fā)生變化，而其他輸出點(diǎn)和軟設(shè)備在I/O映象區(qū)或系統(tǒng)RAM存儲區(qū)內(nèi)的狀態(tài)和數(shù)據(jù)都有可能發(fā)

29、生變化，而且排在上面的梯形圖，其程序執(zhí)行結(jié)果會對排在下面的凡是用到這些線圈或數(shù)據(jù)的梯形圖起作用；相反，排在下面的梯形圖，其被刷新的邏輯線圈的狀態(tài)或數(shù)據(jù)只能到下一個掃描周期才能對排在其上面的程序起作用。3.1.3.3 當(dāng)輸出刷新階段掃描用戶程序結(jié)束后， PLC就進(jìn)入輸出刷新階段。在此期間，CPU按照I/O映象區(qū)內(nèi)對應(yīng)的狀態(tài)和數(shù)據(jù)刷新所有的輸出鎖存電路，再經(jīng)輸出電路驅(qū)動相應(yīng)的外設(shè)。這時，才是PLC的真正輸出。 圖 3-1 PLC工作流程示意圖3.1.4 PLC的優(yōu)點(diǎn)3.1.4.1 通用性強(qiáng)、靈活性好、功能齊全PLC是專為在工業(yè)環(huán)境下應(yīng)用而設(shè)計的，具有面向工業(yè)控制的鮮明特點(diǎn)。通過選配相應(yīng)的控制模塊便

30、可適用于各種不同的工業(yè)控制系統(tǒng)。同時，由于PLC采用存儲邏輯，其控制邏輯以程序方式存儲在內(nèi)存中，當(dāng)生產(chǎn)工藝改變或生產(chǎn)設(shè)備更新時，不必改變PLC的硬件，只需改變程序，改變控制邏輯，其連線少，體積小，加之PLC中每只軟繼電器的觸點(diǎn)數(shù)理論上無限制，因此，靈活性和擴(kuò)展性都很好。3.1.4.2 可靠性高、抗干擾能力強(qiáng)為了確保PLC在惡劣的工業(yè)環(huán)境下能可靠的工作。在設(shè)計中強(qiáng)化了PLC的抗干擾能力，使之能抗諸如電噪聲、電源波動、振動、電磁干擾等的干擾。PLC能承受電網(wǎng)電壓的變化，可直接由交流市電供電，直接取自電控箱電源。即使在電源瞬間斷電的情況下，仍可正常工作。PLC在設(shè)計、生產(chǎn)過程中除了對元器件嚴(yán)格篩選外

31、，硬件和軟件還采用屏蔽、濾波。光電隔離和故障診斷、自動恢復(fù)等措施，有的PLC還采用了冗余技術(shù)等，進(jìn)一步增強(qiáng)了PLC的可靠性。3.1.4.3 編程簡單、使用方便PLC在基本控制方面采用梯形圖語言進(jìn)行編程，這種梯形圖是與繼電器控制電路圖相呼應(yīng)的，形式簡單、直觀性強(qiáng)，廣大電氣人員容易接受。用梯形圖編程出錯率比匯編語言低得多。梯形圖、流程圖、語句表之間可以有條件的相互轉(zhuǎn)換，使用極其方便。3.1.4.4 模塊化結(jié)構(gòu)、安裝簡單、調(diào)試方便PLC的各個部件，包括CPU、電源、I/O等均采用模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計，由機(jī)架和電纜將各模塊連接起來，由于配置靈活，使擴(kuò)展、維護(hù)更加方便。另外，PLC的接線十分方便，只需將輸入信

32、號的設(shè)備（如按鈕、開關(guān)等）與PLC的輸入端子相連，將接受控制的執(zhí)行元件（接觸器、電磁閥等）與輸出端子相連即可。調(diào)試工作大部分是室內(nèi)調(diào)試，用模擬開關(guān)模擬輸入信號，其輸入狀態(tài)和輸出狀態(tài)可以觀察PLC上相應(yīng)的發(fā)光二極管，可以根據(jù)它進(jìn)行測試、排錯和修改。3.2 系統(tǒng)PLC配置3.2.1 S7-300 CPU的基本結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的硬件主要分兩部分，控制器和執(zhí)行器?？刂破鳛槲鏖T子SIMATIC S7-300 PLC，SIMATIC S7-300系列屬于中型PLC，最多可以擴(kuò)展32個模塊。300系列采用的是模塊化結(jié)構(gòu)，由機(jī)架和模塊組成。通常情況下，300的系統(tǒng)由機(jī)架、電源模塊、CPU、數(shù)字輸入輸出模塊、模擬輸入輸

33、出模塊組成。CPU313C是具有更大程序存儲器、低成本的解決方案，適用于對速度要求較高、程序較大的的小型應(yīng)用領(lǐng)域。CPU313C內(nèi)置內(nèi)置12KB的RAM，其裝載存儲器為內(nèi)置40KB的RAM，可用存儲卡擴(kuò)充裝載存儲器，最大容量為256KB，指令執(zhí)行速度為600ns/二進(jìn)制指令。擴(kuò)展模塊只能裝在一個機(jī)架上，最大擴(kuò)展128點(diǎn)數(shù)字量和32路模擬量。CPU采用的是軟件時鐘，他給用戶提供了一個工作時間定時器，該定時器可用來計量CPU或所連接接的工作時間長度。本次設(shè)計使用的CPU具體型號為S7-313C-2DP。CPU自帶接入電源，因此不需另外添加電源模塊。CPU上集成了16位的數(shù)字輸入和兩個8位的數(shù)字輸出

34、，在使用中能夠基本滿足設(shè)計需求。圖 3-2 西門子CPU 313C-2DP基本構(gòu)造 狀態(tài)和出錯 LED 帶有彈出裝置的 SIMATIC MMC 卡的插槽 集成輸入和輸出的端子 電源連接 1. 接口 X1 (MPI/DP) 2. 接口 X2 (PN)，配有雙端口交換機(jī) MAC 地址和二維條形碼 模式選擇器開關(guān)CPU面板上的指示燈表示CPU中的狀態(tài)，其各個含義為：SF：表示狀態(tài)和出錯 LED （硬件錯誤）BF：網(wǎng)絡(luò)通信錯誤（Bus Fault）FRCE：至少有一個輸入或輸出被強(qiáng)制MAINT：維護(hù)請求MRES：格式化3.2.2 S7-300 CPU的基本結(jié)構(gòu)CPU 313C-2DP上集成了16位的數(shù)

35、字輸入和兩個8位的數(shù)字輸出。CPU中每個IO口都能當(dāng)做普通的開關(guān)量輸出口使用，其中的部分IO口還擁有特定的技術(shù)功能，不同CPU的IO口擁有的技術(shù)功能也不同。本次設(shè)計的313C-2DP擁有3個通道分別用于計數(shù)、頻率測量（最大頻率為30 kHz）或脈沖寬度調(diào)制 (最大頻率為2.5 kHz) 。由于系統(tǒng)需要為三個軸上的伺服電機(jī)提供連續(xù)脈沖，因此將V0、V1、V2這三個通道設(shè)置為計數(shù)通道正好能夠滿足系統(tǒng)的需求，在系統(tǒng)硬件配置中將三個高速計數(shù)通道設(shè)置為脈沖調(diào)制，并設(shè)定合適的頻率，在程序中調(diào)用相應(yīng)的功能塊，則能實(shí)現(xiàn)最高2.5KHZ頻率脈沖的輸出。圖 3-3 西門子CPU 313C-2DP基本構(gòu)造CPU中的

36、Zn表示計數(shù)器n，可通過軟件配置來實(shí)現(xiàn)頻率測量和計數(shù)的功能，頻率測量時測量范圍最高可達(dá)到30KHZ；A、B表示編碼器信號，當(dāng)系統(tǒng)需要將編碼器的信號反饋至CPU時，則將A、B相信號輸入到指定的輸入口，從而實(shí)現(xiàn)閉環(huán)；鎖存器的功能則為存儲計數(shù)器的距離。3.2.3 S7-300 CPU的輸入輸出模式PLC的輸出方式有三種：晶體管輸出、晶閘管輸出和繼電器輸出。晶體管輸出電路形式相比于繼電器輸出響應(yīng)快（一般在0.2ms以下），適用于要求快速響應(yīng)的場合；由于晶體管是無機(jī)械觸點(diǎn)，因此比繼電器輸出電路形式的壽命長。晶體管輸出型電路的外接電源只能是直接電源，這是其應(yīng)用局限的一方面。另外，晶體管輸出驅(qū)動能力要小于繼

37、電器輸出，允許負(fù)載電壓一般為DC5V30V，允許負(fù)載電流為0.2A0.5A。這兩點(diǎn)的使用晶體管輸出電路形式時要注意。晶體管輸出電路的形式主要有兩種：NPN和PNP型集電極開路輸出。繼電器輸出電路形式外接電源既可以是直流，也可以是交流。PLC繼電器輸出電路形式允許負(fù)載一般是AC250V/50V以下，負(fù)載電流可達(dá)2A，容量可達(dá)80100VA（電壓×電流），因此，PLC的輸出一般不宜直接驅(qū)動大電流負(fù)載。PLC繼電器輸出電路的形式繼電器觸點(diǎn)的使用壽命也有限制（十萬次左右），繼電器輸出的響應(yīng)時間也比較慢（10ms左右）。因此，在要求快速響應(yīng)的場合不適合使用此種類型的電路輸出形式。雙向晶閘管輸出

38、電路只能驅(qū)動交流負(fù)載，響應(yīng)速度也比繼電器輸出電路形式要快，壽命要長。雙向晶閘管輸出的驅(qū)動能力要比繼電器輸出的要小，允許負(fù)載電壓一般為AC85242V；單點(diǎn)輸出電流為0.2A0.5A，當(dāng)多點(diǎn)共用公共端時，每點(diǎn)的輸出電流應(yīng)減小。為了保護(hù)晶閘管，通常在PLC內(nèi)部電路晶閘管的兩端并接RC阻容吸收元件（一般為0.015uF/22左右）和壓敏電阻，因此在晶閘管關(guān)斷時，PLC的輸出仍然有12mA的開路漏電流，這就可能導(dǎo)致一些小型繼電器在PLC輸出OFF時無法關(guān)斷的情況。圖 3-4 西門子CPU 313C-2DP的集成數(shù)字I/O方塊圖本次設(shè)計CPU為晶體管輸出，輸出響應(yīng)快，無機(jī)械觸點(diǎn)，使用壽命長，但是輸出的驅(qū)

39、動能力不足，承受的電壓電流單位也不夠。因此當(dāng)要驅(qū)動功率要求較高的部分（如驅(qū)動電機(jī)的使能端、電磁閥、異警警報等）時，需要借助外部的繼電器驅(qū)動，以免損傷IO口。3.3 伺服電機(jī)簡介3.3.1 伺服電機(jī)的基本常識伺服電機(jī)（servo motor ）是指在伺服系統(tǒng)中控制機(jī)械元件運(yùn)轉(zhuǎn)的發(fā)動機(jī)，是一種補(bǔ)助馬達(dá)間接變速裝置。伺服電機(jī)可使控制速度，位置精度非常準(zhǔn)確，可以將電壓信號轉(zhuǎn)化為轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速以驅(qū)動控制對象。伺服電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速受輸入信號控制，并能快速反應(yīng)，在自動控制系統(tǒng)中，用作執(zhí)行元件，且具有機(jī)電時間常數(shù)小、線性度高、始動電壓等特性，可把所收到的電信號轉(zhuǎn)換成電動機(jī)軸上的角位移或角速度輸出。分為直流和交流伺服電

40、動機(jī)兩大類。永磁交流伺服系統(tǒng)的驅(qū)動器經(jīng)歷了模擬式、模式混合式的發(fā)展后，目前已經(jīng)進(jìn)入了全數(shù)字的時代。全數(shù)字伺服驅(qū)動器不僅克服了模擬式伺服的分散性大、零漂、低可靠性等確定，還充分發(fā)揮了數(shù)字控制在控制精度上的優(yōu)勢和控制方法的靈活，使伺服驅(qū)動器不僅結(jié)構(gòu)簡單，而且性能更加的可靠。現(xiàn)在，高性能的伺服系統(tǒng)，大多數(shù)采用永磁交流伺服系統(tǒng)其中包括永磁同步交流伺服電動機(jī)和全數(shù)字交流永磁同步伺服驅(qū)動器兩部分。伺服驅(qū)動器有兩部分組成：驅(qū)動器硬件和控制算法?？刂扑惴ㄊ菦Q定交流伺服系統(tǒng)性能好壞的關(guān)鍵技術(shù)之一，是國外交流伺服技術(shù)封鎖的主要部分，也是在技術(shù)壟斷的核心。其主要特點(diǎn)是，當(dāng)信號電壓為零時無自轉(zhuǎn)現(xiàn)象，轉(zhuǎn)速隨著轉(zhuǎn)矩的增加

41、而勻速下降。3.3.2 伺服電機(jī)的工作原理交流伺服電動機(jī)的結(jié)構(gòu)主要可分為兩部分，即定子部分和轉(zhuǎn)子部分。伺服電機(jī)內(nèi)部的轉(zhuǎn)子是永磁鐵，驅(qū)動器控制的U/V/W三相電形成電磁場，轉(zhuǎn)子在此磁場的作用下轉(zhuǎn)動，同時電機(jī)自帶的編碼器反饋信號給驅(qū)動器，驅(qū)動器根據(jù)反饋值與目標(biāo)值進(jìn)行比較，調(diào)整轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動的角度。伺服電機(jī)的精度決定于編碼器的精度（線數(shù)）。定子的結(jié)構(gòu)與旋轉(zhuǎn)變壓器的定子基本相同，在定子鐵心中也安放著空間互成90度電角度的兩相繞組。其中一組為激磁繞組，另一組為控制繞組，交流伺服電動機(jī)一種兩相的交流電動機(jī)。交流伺服電動機(jī)使用時，激磁繞組兩端施加恒定的激磁電壓Uf，控制繞組兩端施加控制電壓Uc。當(dāng)定子繞組加上電壓

42、后，伺服電動機(jī)很快就會轉(zhuǎn)動起來。 通入勵磁繞組及控制繞組的電流在電機(jī)內(nèi)產(chǎn)生一個旋轉(zhuǎn)磁場，旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)向決定了電機(jī)的轉(zhuǎn)向，當(dāng)任意一個繞組上所加的電壓反相時，旋轉(zhuǎn)磁場的方向就發(fā)生改變，電機(jī)的方向也發(fā)生改變。 為了在電機(jī)內(nèi)形成一個圓形旋轉(zhuǎn)磁場，要求激磁電壓Uf和控制電壓Uc之間應(yīng)有90度的相位差，常用的方法有：（1）利用三相電源的相電壓和線電壓構(gòu)成90度的移相；（2）利用三相電源的任意線電壓； （3）采用移相網(wǎng)絡(luò)； （4）在激磁相中串聯(lián)電容器； 圖 3-5 交流伺服電機(jī)的工作原理圖3.3.3 伺服電機(jī)的優(yōu)點(diǎn)（1）電動機(jī)無電刷和換向器，工作可靠，維護(hù)和保養(yǎng)簡單；（2）定子繞組散熱快；（3）慣量小，易提

43、高系統(tǒng)的快速性；（4）適應(yīng)于高速大力矩工作狀態(tài)；（5）相同功率下，體積和重量較小，廣泛的應(yīng)用于機(jī)床、機(jī)械設(shè)備、搬運(yùn)機(jī)構(gòu)、印刷設(shè)備、裝配機(jī)器人、加工機(jī)械、高速卷繞機(jī)、紡織機(jī)械等場合，滿足了傳動領(lǐng)域的發(fā)展需求。3.3.4 交流伺服系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)交流永磁同步伺服驅(qū)動器主要有伺服控制單元、功率驅(qū)動單元、通訊接口單元、伺服電動機(jī)及相應(yīng)的反饋檢測器件組成，其結(jié)構(gòu)組成如圖1所示。其中伺服控制單元包括位置控制器、速度控制器、轉(zhuǎn)矩和電流控制器等等。我們的交流永磁同步驅(qū)動器其集先進(jìn)的控制技術(shù)和控制策略為一體，使其非常適用于高精度、高性能要求的伺服驅(qū)動領(lǐng)域，還體現(xiàn)了強(qiáng)大的智能化、柔性化是傳統(tǒng)的驅(qū)動系統(tǒng)所不可比擬的。

44、3.3.5 伺服電機(jī)與步進(jìn)電機(jī)相比的優(yōu)點(diǎn)精度：實(shí)現(xiàn)了位置，速度和力矩的閉環(huán)控制，克服了步進(jìn)電機(jī)失步的問題；轉(zhuǎn)速：高速性能好，一般額定轉(zhuǎn)速能達(dá)到20003000轉(zhuǎn)；穩(wěn)定：低速運(yùn)行平穩(wěn)，低速運(yùn)行時不會產(chǎn)生類似于步進(jìn)電機(jī)的步進(jìn)運(yùn)行現(xiàn)象。適用于有高速響應(yīng)要求的場合；適應(yīng)性：抗過載能力強(qiáng)，能承受三倍于額定轉(zhuǎn)矩的負(fù)載，對有瞬間負(fù)載波動和要求快速起動的場合特別適用；及時性：電機(jī)加減速的動態(tài)相應(yīng)時間短，一般在幾十毫秒之內(nèi)；舒適性：發(fā)熱和噪音明顯降低。簡單點(diǎn)說就是：平?？吹降哪欠N普通的電機(jī)，斷電后它還會因?yàn)樽陨淼膽T性再轉(zhuǎn)一小段時間才停下來。而伺服電機(jī)是即停即走，反應(yīng)極快。但步進(jìn)電機(jī)存在失步現(xiàn)象。伺服電機(jī)的應(yīng)用領(lǐng)

45、域廣泛，只要是要有動力源的，而且對精度有要求的一般都可能涉及到伺服電機(jī)。如機(jī)床、印刷設(shè)備、包裝設(shè)備、紡織設(shè)備、激光加工設(shè)備、機(jī)器人、自動化生產(chǎn)線等對工藝精度、加工效率和工作可靠性等要求相對較高的設(shè)備。3.4 伺服電機(jī)驅(qū)動器3.4.1 伺服電機(jī)驅(qū)動器的結(jié)構(gòu)伺服電機(jī)驅(qū)動器是專門驅(qū)動伺服電機(jī)，可以根據(jù)控制器產(chǎn)生的脈沖信號將其轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的U、V、W電壓傳輸給電機(jī)從而控制轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)動距離。并能將電機(jī)的光電編碼器反饋至驅(qū)動器，形成閉環(huán)回路，實(shí)現(xiàn)電機(jī)的精確定位。本次設(shè)計選用的是臺達(dá)ASDA-B2系列伺服驅(qū)動器，具體的型號為ECMA-C20604PS，其含義為：ECM：電子換向式電機(jī)A：交流伺服電機(jī)C2：額定電

46、壓為220V，額定轉(zhuǎn)速為3000rpm，編碼器形式為17-bit（光學(xué)編碼器）06：電機(jī)框架尺寸為60mm04：額定功率為400WP：鍵槽（帶螺絲孔位），無剎車，無油封S：標(biāo)準(zhǔn)軸徑規(guī)則：S伺服電機(jī)系統(tǒng)完整可操作的伺服組件應(yīng)包括： (1) 伺服驅(qū)動器及伺服電機(jī)。 (2) 一條 UVW 電機(jī)動力線，紅（U）、白（V）、黑（W）依序三條線鎖在驅(qū)動器上的電機(jī)輸出座，還有一條綠色地線請鎖在驅(qū)動器的接地處。(3) 一條編碼器控制信號線與電機(jī)端編碼器的母座相接，一端連接器至驅(qū)動器 CN2，另一端為公座。(4) 于 CN1 使用 44PIN 接頭。(5) 于 CN2 使用 9PIN 接頭。 (6) 于 CN3

47、 使用 6PIN 接頭。圖 3-6 臺達(dá)伺服驅(qū)動器各部分名稱該伺服驅(qū)動器主要包含電源、電機(jī)輸出、顯示部分、操作部分、控制連接器、編碼器連接器和連接器等部分?？刂苹芈冯娫礊轵?qū)動器內(nèi)部提供控制部分的驅(qū)動電壓，如±15V、5V、3.3V、24V等電壓。主控制回路電源的R、S、T連接在商用電源，為驅(qū)動器內(nèi)部整流部分提供三相電源，整流出來的直流經(jīng)過控制信號的調(diào)制逆變生產(chǎn)可調(diào)的三相電以控制伺服電機(jī)。顯示部分由五位七段數(shù)碼管顯示伺服驅(qū)動器的狀態(tài)、異警或者驅(qū)動器內(nèi)部參數(shù)。操作部分可以通過按鍵設(shè)置修改功能、參數(shù)、監(jiān)控設(shè)定等?？刂七B接器CN1：與可編程控制器PLC或者其他控制IO口連接。編碼器連接器CN

48、2：連接伺服電機(jī)檢測器，將編碼器連接進(jìn)入驅(qū)動器形成閉環(huán)系統(tǒng)。RS485&RS232連接器：與PC機(jī)或者控制器連接，并能與其他設(shè)備連接通信。3.4.2 伺服電機(jī)驅(qū)動器內(nèi)部結(jié)構(gòu)及接線圖 3-7 交流伺服驅(qū)動器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖和接線圖啟動器中主要包含主控制回路、控制回路、回生處理回路、保護(hù)回路等回路。其中最主要的是主控制回路和控制回路。主控制回路是將電源三相電R、S、T通過整流和逆變轉(zhuǎn)化為可控的U、V、W三相電以控制電機(jī)。控制回路則是根據(jù)控制器PLC的控制信號計算產(chǎn)生相應(yīng)的PWM波來驅(qū)動IGBT以控制逆變過程產(chǎn)生輸出電機(jī)的控制電壓。驅(qū)動器中的主控制回路是三相電R、S、T輸入后經(jīng)過整流電路變成直流

49、，再經(jīng)過IGBT驅(qū)動的逆變電路逆變?yōu)榭烧{(diào)的U、V、W三相電壓，輸出以驅(qū)動伺服電機(jī)。驅(qū)動器的控制電路主體為DSP和CPLD控制器。DSP處理器將電機(jī)的光電編碼器檢測反饋信號和可編程控制器PLC的控制信號通過一系列復(fù)雜運(yùn)算計算出控制脈沖的導(dǎo)通角信號傳輸給CPLD，CPLD通過硬件實(shí)現(xiàn)軟件根據(jù)DSP傳輸來的信號產(chǎn)生相應(yīng)的PWM波形。用產(chǎn)生的波形驅(qū)動IGBT，以實(shí)現(xiàn)控制逆變的功能，以產(chǎn)生所需要的控制電壓。圖 3-8 交流伺服驅(qū)動器內(nèi)部工作流程圖3.4.3 伺服電機(jī)驅(qū)動器的參數(shù)設(shè)置3.4.3.1 驅(qū)動器的模式選擇及其構(gòu)架伺服驅(qū)動器參數(shù)設(shè)置首先應(yīng)確定控制模式，驅(qū)動器有三種模式：位置控制、速度控制和轉(zhuǎn)矩控制

50、。由于本設(shè)計要求系統(tǒng)精確定位，因此選擇位置控制模式。位置控制模式被應(yīng)用于精密定位的場合，例如產(chǎn)業(yè)機(jī)械，具有方向性的指令脈沖輸入可經(jīng)由外界來的脈沖來操縱電機(jī)的轉(zhuǎn)動角度，可接受高達(dá) 4Mpps 的脈沖輸入，在位置閉回路系統(tǒng)中，以速度模式為主體，外部增加增益型式位置控制器及前置補(bǔ)償。同時，如同速度模式，二種操縱模式（手動、自動）提供使用者來選擇，此處說明增益型式位置控制器，前置補(bǔ)償及位置指令處理方式。圖 3-9 驅(qū)動器位置控制模式流程圖位置控制模式用在需要精確控制運(yùn)動位置的場合，這種模式能夠?qū)⑤斎氲目刂菩盘栟D(zhuǎn)化為位置信號，并且在光電編碼器的反饋?zhàn)饔孟履軌蚴闺姍C(jī)精確定位。位置控制模式相較于速度模式和轉(zhuǎn)

51、矩模式較為復(fù)雜，位置模式的控制過程中還包含了位置模式和電流模式的閉環(huán)電路，并且還有光電編碼器的反饋?zhàn)饔?，是一種較為復(fù)雜、控制精確的控制模式，在需要高精度位置控制的系統(tǒng)中應(yīng)用廣泛。3.4.3.2 PT 模式位置指令P1-00 PT 位置指令是端子臺輸入的脈沖，脈沖有三種型式可以選擇，每種型式也有正/負(fù)邏輯之分，。P1-00表示外部脈沖列輸入型式設(shè)定，其設(shè)定值為102。其含義為：圖 3-10 參數(shù)P1-00設(shè)定值含義參數(shù)初值為0x2 ，設(shè)定范圍為 0 1132 ，數(shù)據(jù)大小為 16bit。其中脈沖型式表示為： 0：AB 相脈沖列 1：正轉(zhuǎn)脈沖列及逆轉(zhuǎn)脈沖列 2：脈沖列 + 符號 由于本系統(tǒng)控制電機(jī)時

52、采用的是用PULSE輸出脈沖，由SIGN輸出方向信號，即SIGN為1正轉(zhuǎn)，為0時反轉(zhuǎn)，因此脈沖形式為2。濾波寬度：過濾脈沖頻率瞬間過大， 超過頻率設(shè)定太高的脈沖頻率， 會被視為噪聲濾掉。本次設(shè)計選擇設(shè)定值為0。圖 3-11 濾波寬度設(shè)定值參數(shù)中的正邏輯表示：1代表高電平，0代表低電平。負(fù)邏輯則與此相反。本次設(shè)計中邏輯形式為正邏輯1。AB相脈沖列表示用脈沖PULSE、方向SIGN兩相脈沖（即A、B兩相）的先后時序來表示正向、反向轉(zhuǎn)動；正/轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)脈沖序列則PULSE和SIGN分別的置高置低、用作脈沖輸出來實(shí)現(xiàn)正反轉(zhuǎn)的切換；而脈沖列+符號則是用PULSE固定輸出脈沖，用SIGN的高低來確定電機(jī)的轉(zhuǎn)動方

53、向。圖 3-12 邏輯形式和脈沖型式示意圖3.4.3.3 電子齒輪比分子（N1）P1-44初值： 16 控制模式： 位置控制模式PT 設(shè)定范圍： 1 （2-1）數(shù)據(jù)大?。?32bit本設(shè)計的參數(shù)P1-44設(shè)置為100。電子齒輪比分子可藉由GNUM0， GNUM1二輸入接腳進(jìn)行選擇切換。若二輸入接腳無定義時，電子齒輪比分子內(nèi)定為P1-44。應(yīng)在停止?fàn)顟B(tài)下進(jìn)行切換，以避免切換過程中機(jī)械產(chǎn)生振動。圖 3-13 電子齒輪比的分子設(shè)置3.4.3.4 電子齒輪比分母（M）P1-45初值： 10 控制模式： 位置控制模式PT 設(shè)定范圍： 1 （2-1） 數(shù)據(jù)大?。?32bit 參數(shù)功能： 設(shè)定錯誤時伺服電機(jī)

54、易產(chǎn)生暴沖，指令脈沖輸入比值設(shè)定為： 圖 3-14 電子齒輪比在位置指令中的作用指令脈沖輸入比值范圍：150NxM25600。本設(shè)計的參數(shù)P1-45設(shè)置為100。電子齒輪提供簡單易用的行程比例變更，通常大的電子齒輪比會導(dǎo)致位置指令步階化，可透過低通濾波器將其平滑化來改善此一現(xiàn)象。 由于電子齒輪比分子P1-44電子齒輪比分母P1-45設(shè)定值都為100，因此電子齒輪比為1，則指令端每一個脈沖所對到電機(jī)轉(zhuǎn)動脈沖為 1 個脈沖。3.4.3.5 低通濾波器P1-08低通濾波器能夠使伺服電機(jī)運(yùn)動到達(dá)指定位置的過程更加平滑，減少電機(jī)的沖撞。初值： 0 控制模式： 位置控制模式PT 單位： 10ms 設(shè)定范圍

55、： 0 1000 數(shù)據(jù)大小： 16bit 本設(shè)計設(shè)定的P1-08參數(shù)為500，能夠較好地實(shí)現(xiàn)電機(jī)的平滑運(yùn)動。3.4.3.6 增益調(diào)整方式P2-32初值： 0 控制模式： ALL 單位： - 設(shè)定范圍： 0 2 數(shù)據(jù)大?。?16bit 1：自動模式（持續(xù)調(diào)整） 。 2：半自動模式（非持續(xù)調(diào)整） 手動模式設(shè)定相關(guān)說明： 當(dāng)P2-32 設(shè)定為 0 時，所有控制増益相關(guān)參數(shù) P2-00，P2-02，P2-04，P2-06，P2-07，P2-25，P2-26 可由使用者自行設(shè)定。由自動或半自動模式切換到手動模式時，會自動更新相關(guān)的增益參數(shù)。P2-32參數(shù)功能： 0：手動模式。 當(dāng) P2-32 設(shè)定為 0

56、 時，速度回路的比例增益（P2-04） 、積分增益（P2-06）及前饋增益（P2-07） ，由使用者自行設(shè)定，一般而言各參數(shù)的影響如下：比例增益：增加此增益則會提高速度回路響應(yīng)頻寬。 積分增益：增加此增益則會提高速度回路低頻剛度，并降低穩(wěn)態(tài)誤差。同時也犧牲相位邊界值。過高的積分增益導(dǎo)致系統(tǒng)的不穩(wěn)定性。前饋增益：降低相位落后誤差。 自動模式設(shè)定相關(guān)說明：持續(xù)估測系統(tǒng)慣量，每隔 30 分鐘會自動儲存所估測的負(fù)載慣量比至 P1-37，并參考 P2-31 的剛性及頻寬設(shè)定。1. 由自動或半自動模式 1 或 2 設(shè)為手動模式 0 時，系統(tǒng)會自動儲存量測所得的負(fù)載慣量值至 P1-37， 并據(jù)此負(fù)載慣量值設(shè)定相對應(yīng)的控制參數(shù)。2. 由手動模式 0 直接設(shè)為半自動或自動模式 1 或 2 時，需在P1-37適當(dāng)輸入負(fù)載慣量值。 3. 由自動模式 1 設(shè)為手動模式 0 時，P2-00，P2-04，P2-06 會重新修改成自動模式下相對應(yīng)之參數(shù)值。 由半自動模式 2 設(shè)為手動模式 0 時， P2-00， P2-04， P2-06， P2-25，P2-26 會重新修改成自動模式下相對應(yīng)的參數(shù)值。 半自動模式設(shè)定相關(guān)說明： 1. 當(dāng)系統(tǒng)慣量穩(wěn)定后，P2-33 的顯示狀態(tài)為 1，就停止持續(xù)