ch06交流伺服電動(dòng)機(jī)傳動(dòng)模塊角度運(yùn)動(dòng)控制編程

職業(yè)教育自動(dòng)化類(lèi)專(zhuān)業(yè)新形態(tài)教材交流伺服電動(dòng)機(jī)傳動(dòng)模塊角度運(yùn)動(dòng)控制編程第六章智能裝備機(jī)電集成技術(shù)01交流伺服電動(dòng)機(jī)傳動(dòng)模塊角度運(yùn)動(dòng)控制交流伺服電動(dòng)機(jī)傳動(dòng)模塊角度運(yùn)動(dòng)控制伺服系統(tǒng)1交流伺服電動(dòng)機(jī)傳動(dòng)模塊角度運(yùn)動(dòng)控制伺服系統(tǒng)伺服系統(tǒng)是指以機(jī)械運(yùn)動(dòng)量作為控制對(duì)象的自動(dòng)控制系統(tǒng)，是運(yùn)動(dòng)控制的驅(qū)動(dòng)對(duì)象。伺服電動(dòng)機(jī)(ServoMotor是指在服系統(tǒng)中控制機(jī)械元件運(yùn)轉(zhuǎn)的電動(dòng)機(jī)。如圖6-1所為服電動(dòng)機(jī)位置控制方式的基本形式，包括開(kāi)環(huán)、半閉環(huán)和閉環(huán)。開(kāi)環(huán)系統(tǒng)無(wú)檢測(cè)裝置，常用步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)，每輸入一個(gè)指令脈沖，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)就旋轉(zhuǎn)一定的角度，它的旋轉(zhuǎn)速度由指令脈沖頻率控制，轉(zhuǎn)角大小由脈沖個(gè)數(shù)決定。由于開(kāi)環(huán)系統(tǒng)沒(méi)有檢測(cè)裝置，誤差無(wú)法測(cè)量和補(bǔ)償，因此開(kāi)環(huán)系統(tǒng)精度不高。閉環(huán)系統(tǒng)和半閉環(huán)系統(tǒng)有檢測(cè)裝置，閉環(huán)系統(tǒng)的檢測(cè)裝置安裝在移動(dòng)部件上，可以直接檢測(cè)移動(dòng)部件的位移，且系統(tǒng)采用了反饋和誤差補(bǔ)償技術(shù)因此可以很精確地控制移動(dòng)部件的移動(dòng)距離。半閉環(huán)系統(tǒng)的檢測(cè)裝置安裝在伺服電動(dòng)機(jī)上，在伺服電動(dòng)機(jī)的尾部裝有編碼器或測(cè)速發(fā)電機(jī)，用于檢測(cè)移動(dòng)部件的位移和速度。由于傳動(dòng)件不可避免地存在受力變形和傳動(dòng)間隙等問(wèn)題，因此半閉環(huán)系統(tǒng)的控制精度不如閉環(huán)系統(tǒng)。工業(yè)上，如果不加特定說(shuō)明，伺服系統(tǒng)一般指半閉環(huán)系統(tǒng)或閉環(huán)系統(tǒng)。1交流伺服電動(dòng)機(jī)傳動(dòng)模塊角度運(yùn)動(dòng)控制伺服系統(tǒng)狹義的伺服系統(tǒng)由伺服電動(dòng)機(jī)和伺服驅(qū)動(dòng)器構(gòu)成。伺服電動(dòng)機(jī)又稱(chēng)執(zhí)行電動(dòng)機(jī)，在自動(dòng)控制系統(tǒng)中為執(zhí)行元件，用于把接收的電信號(hào)轉(zhuǎn)換為電動(dòng)機(jī)軸上的角位移或角速度輸出。伺服電動(dòng)機(jī)主要靠脈沖來(lái)定位，基本上可以這樣理解，伺服電動(dòng)機(jī)每接收一個(gè)脈沖，就會(huì)旋轉(zhuǎn)一個(gè)脈沖對(duì)應(yīng)的角度，從而實(shí)現(xiàn)位移。因?yàn)樗欧妱?dòng)機(jī)本身具有脈沖發(fā)生的功能，所以伺服電動(dòng)機(jī)每旋轉(zhuǎn)一個(gè)角度，都會(huì)發(fā)出對(duì)應(yīng)數(shù)量的脈沖，這與伺服電動(dòng)機(jī)接收的脈沖形成閉環(huán)。如此一來(lái)，系統(tǒng)就會(huì)知道發(fā)送了多少個(gè)脈沖給伺服電動(dòng)機(jī)，同時(shí)又接收了多少個(gè)脈沖這樣，就能精確地控制電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)定位，精度可達(dá)0.001mm。1交流伺服電動(dòng)機(jī)傳動(dòng)模塊角度運(yùn)動(dòng)控制伺服系統(tǒng)伺服電動(dòng)機(jī)內(nèi)部的轉(zhuǎn)子是永磁鐵，驅(qū)動(dòng)器通過(guò)控制U、V、W三相繞組形成電磁場(chǎng)，轉(zhuǎn)子在此磁場(chǎng)的作用下轉(zhuǎn)動(dòng)，同時(shí)電動(dòng)機(jī)自帶的編碼器將反饋信號(hào)輸出給驅(qū)動(dòng)器，驅(qū)動(dòng)器根據(jù)反饋信號(hào)與目標(biāo)信號(hào)的誤差調(diào)整轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)的角度。伺服電動(dòng)機(jī)的精度取決于編碼器的精度線(xiàn)數(shù))，如圖6-2所示為服電動(dòng)機(jī)實(shí)物。伺服驅(qū)動(dòng)器是一種用于驅(qū)動(dòng)伺服電動(dòng)機(jī)的控制器，其作用類(lèi)似于變頻器對(duì)普通交流電動(dòng)機(jī)，是發(fā)布運(yùn)動(dòng)指令的計(jì)算機(jī)和執(zhí)行元件間的接口。伺服驅(qū)動(dòng)器一般可以采用位置、速度和力矩三種控制方式，主要應(yīng)用于高精度的定位系統(tǒng)。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)器通常只能用于位置控制，變頻器只能用于速度控制。如圖6-3所示為服驅(qū)動(dòng)器與服電動(dòng)機(jī)實(shí)物。1交流伺服電動(dòng)機(jī)傳動(dòng)模塊角度運(yùn)動(dòng)控制伺服系統(tǒng)1交流伺服電動(dòng)機(jī)傳動(dòng)模塊角度運(yùn)動(dòng)控制交流伺服電動(dòng)機(jī)2交流伺服電動(dòng)機(jī)傳動(dòng)模塊角度運(yùn)動(dòng)控制旋轉(zhuǎn)編碼器3旋轉(zhuǎn)編碼器是一種角位移傳感器，它分為光電式、接觸式和電磁感應(yīng)式三種，其中光電式旋轉(zhuǎn)編碼器是數(shù)控系統(tǒng)中常用的位置傳感器，一般安裝在交流伺服電動(dòng)機(jī)后面以進(jìn)行旋轉(zhuǎn)位置和旋轉(zhuǎn)速度的檢測(cè)。由于光電式旋轉(zhuǎn)編碼器輸出的檢測(cè)信號(hào)是數(shù)字信號(hào)，可以直接輸入計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理，不需要放大和轉(zhuǎn)換等操作，使用非常方便，因此應(yīng)用越來(lái)越廣泛。如數(shù)控工作臺(tái)的旋轉(zhuǎn)編碼器在交流伺服電動(dòng)機(jī)出廠(chǎng)時(shí)就直接安裝在電動(dòng)機(jī)后面，與電動(dòng)機(jī)成為一體，旋轉(zhuǎn)編碼器的輸出信號(hào)直接在服驅(qū)動(dòng)器內(nèi)經(jīng)過(guò)差分計(jì)算后轉(zhuǎn)換為電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)信號(hào)。交流伺服電動(dòng)機(jī)傳動(dòng)模塊角度運(yùn)動(dòng)控制旋轉(zhuǎn)編碼器3旋轉(zhuǎn)編碼器有增量旋轉(zhuǎn)編碼器和絕對(duì)值旋轉(zhuǎn)編碼器兩種。如圖6-8所示為光電式增量旋轉(zhuǎn)編碼器示意圖，它由光敏器件(發(fā)光二極管、光敏三極管)、指示標(biāo)度盤(pán)和編碼圓盤(pán)(簡(jiǎn)稱(chēng)碼盤(pán))等組成。當(dāng)編碼圓盤(pán)隨軸一起轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，發(fā)光二極管發(fā)出的光透過(guò)編碼圓盤(pán)和指示標(biāo)度盤(pán)形成忽明忽暗的光信號(hào)，光敏三極管把光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，然后通過(guò)信號(hào)處理電路進(jìn)行整形、放大、分頻、記數(shù)、譯碼后輸出。為了測(cè)量轉(zhuǎn)向，指示標(biāo)度盤(pán)A、B兩個(gè)透光狹縫的距離比編碼圓盤(pán)兩個(gè)狹縫的距離大(m1)/4，這樣兩光敏三極管的輸出信號(hào)就相差1/4個(gè)周期的相位;然后再將圖6-9所示的光電式增量旋轉(zhuǎn)編碼器輸出信號(hào)送入鑒向電路，即可判斷編碼圓盤(pán)的旋轉(zhuǎn)方向。由于增量旋轉(zhuǎn)編碼器缺少一個(gè)參考點(diǎn)來(lái)標(biāo)定具體的角度，因此使用指示標(biāo)度盤(pán)的C透光狹縫來(lái)確定編碼圓盤(pán)的原點(diǎn)。交流伺服電動(dòng)機(jī)傳動(dòng)模塊角度運(yùn)動(dòng)控制旋轉(zhuǎn)編碼器3交流伺服電動(dòng)機(jī)傳動(dòng)模塊角度運(yùn)動(dòng)控制交流伺服電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)器的電氣連接4交流伺服電動(dòng)機(jī)傳動(dòng)模塊角度運(yùn)動(dòng)控制旋轉(zhuǎn)軸運(yùn)動(dòng)控制任務(wù)實(shí)施概況電氣原理及相關(guān)配置5交流伺服電動(dòng)機(jī)傳動(dòng)模塊角度運(yùn)動(dòng)控制旋轉(zhuǎn)軸運(yùn)動(dòng)控制任務(wù)實(shí)施概況電氣原理及相關(guān)配置5交流伺服電動(dòng)機(jī)傳動(dòng)模塊角度運(yùn)動(dòng)控制旋轉(zhuǎn)軸運(yùn)動(dòng)控制任務(wù)實(shí)施概況電氣原理及相關(guān)配置5交流伺服電動(dòng)機(jī)傳動(dòng)模塊角度運(yùn)動(dòng)控制旋轉(zhuǎn)軸運(yùn)動(dòng)控制觸摸屏與PLC編程6交流伺服電動(dòng)機(jī)傳動(dòng)模塊角度運(yùn)動(dòng)控制旋轉(zhuǎn)軸運(yùn)動(dòng)控制觸摸屏與PLC編程6(2)添加全局?jǐn)?shù)據(jù)塊，定義全局變量。單PLC項(xiàng)目“程序塊”選項(xiàng)中的“添加新塊”子選項(xiàng)，添加新的全局?jǐn)?shù)據(jù)塊，命名為GVL。然后在全局?jǐn)?shù)據(jù)塊程序輸入?yún)^(qū)添加如圖6-23所示的全局?jǐn)?shù)據(jù)塊變量，建立圖6-22中全局變量與控件的關(guān)聯(lián)，并設(shè)置對(duì)應(yīng)控件的屬性。02角度運(yùn)動(dòng)控制的示教再現(xiàn)角度運(yùn)動(dòng)控制的示教再現(xiàn)伺服驅(qū)動(dòng)器的面板操作1角度運(yùn)動(dòng)控制的示教再現(xiàn)伺服驅(qū)動(dòng)器的面板操作1角度運(yùn)動(dòng)控制的示教再現(xiàn)角度控制平臺(tái)伺服驅(qū)動(dòng)器的關(guān)鍵參數(shù)設(shè)置2角度運(yùn)動(dòng)控制的示教再現(xiàn)角度控制平臺(tái)伺服驅(qū)動(dòng)器的關(guān)鍵參數(shù)設(shè)置22.指令脈沖方式的設(shè)置伺服驅(qū)動(dòng)器需要接收上位機(jī)(PLC、單片機(jī)等)發(fā)來(lái)的指令脈沖，共有3種指脈沖方式，即脈沖方向方式(脈沖序列+符號(hào))雙脈沖方式(方?jīng)_列+方向脈沖序列和90°位相差雙脈沖方式。當(dāng)接收的脈沖方式為90位相差雙脈沖時(shí)，系統(tǒng)會(huì)將A相信號(hào)和B相信號(hào)的上升/下降沿作為1個(gè)脈沖并進(jìn)行計(jì)數(shù)。服驅(qū)動(dòng)器PA103參數(shù)設(shè)置如表6-4所示。在角度控制平臺(tái)的實(shí)訓(xùn)中，采用脈沖方向方式，由于PA103參數(shù)的初始值為1，即雙脈沖方式，因此需要通過(guò)觸摸屏將其設(shè)置為0，即脈沖方向方式。角度運(yùn)動(dòng)控制的示教再現(xiàn)角度控制平臺(tái)伺服驅(qū)動(dòng)器的關(guān)鍵參數(shù)設(shè)置2角度運(yùn)動(dòng)控制的示教再現(xiàn)角度控制平臺(tái)伺服驅(qū)動(dòng)器的參數(shù)簡(jiǎn)單自整定3以圖6-29所示服電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)絲桿軸運(yùn)行平臺(tái)為例，參數(shù)簡(jiǎn)單自整定就是在電動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)，通過(guò)對(duì)電動(dòng)機(jī)在各種控制方式下進(jìn)行檢測(cè)和數(shù)據(jù)測(cè)量分析，然后計(jì)算出加減速、恒速運(yùn)行時(shí)需要輸出的轉(zhuǎn)矩、外部負(fù)載的慣量、系統(tǒng)時(shí)間響應(yīng)特性等參數(shù)，接著自動(dòng)調(diào)諧和設(shè)置各個(gè)控制參數(shù)，并在沒(méi)有將伺服驅(qū)動(dòng)器與上位控制裝置連接的狀態(tài)下，僅靠伺服驅(qū)動(dòng)器與伺服電動(dòng)機(jī)運(yùn)行，自動(dòng)調(diào)諧放大器內(nèi)部參數(shù)。通過(guò)參數(shù)簡(jiǎn)單自整定功能，即使在上位控制裝置中程序未完成的狀態(tài)下，也可事先使伺服電動(dòng)機(jī)發(fā)生動(dòng)作并進(jìn)行調(diào)諧，從而縮短調(diào)試時(shí)間。角度運(yùn)動(dòng)控制的示教再現(xiàn)角度控制平臺(tái)伺服驅(qū)動(dòng)器的參數(shù)簡(jiǎn)單自整定3角度運(yùn)動(dòng)控制的示教再現(xiàn)1200PLC的符合數(shù)據(jù)類(lèi)型4角度運(yùn)動(dòng)控制的示教再現(xiàn)示教再現(xiàn)操作5示教再現(xiàn)操作可重復(fù)再現(xiàn)通過(guò)示教編程存儲(chǔ)的作業(yè)程序，是一種具有記憶再現(xiàn)功能的操作。操作者預(yù)先進(jìn)行示教，通過(guò)示教記錄來(lái)記憶有關(guān)作業(yè)程序、位置及其他信息，然后通過(guò)再現(xiàn)指令，將示教記錄中的每條信息逐條取出并再現(xiàn)，在一定精度范圍重復(fù)被示教的作業(yè)程序、位置及相關(guān)信息，完成工作任務(wù)。這種示教再現(xiàn)操作在機(jī)器人系統(tǒng)中得到廣泛應(yīng)用，機(jī)器人的示教再現(xiàn)一般通過(guò)兩種方式實(shí)現(xiàn)。一種是示教器示教再現(xiàn)，操作員通過(guò)示教器引導(dǎo)機(jī)器人手動(dòng)執(zhí)行任務(wù)，并將每個(gè)軌跡運(yùn)動(dòng)過(guò)程記錄下來(lái)，如運(yùn)動(dòng)點(diǎn)、運(yùn)動(dòng)方式、速度等參數(shù)，然后示教器將記錄下來(lái)的任務(wù)進(jìn)行再現(xiàn)，完成作業(yè)任務(wù);另一種是拖動(dòng)示教再現(xiàn)，通過(guò)人工拖動(dòng)使機(jī)器人末端按照需要的軌跡進(jìn)行運(yùn)動(dòng)，然后機(jī)器人記錄下運(yùn)動(dòng)點(diǎn)等參數(shù)，復(fù)原示教運(yùn)動(dòng)的過(guò)程。拖動(dòng)示教再現(xiàn)操作靈活更加直觀(guān)，操作者可以使機(jī)器人迅速地記錄工作點(diǎn)位，大大提高了示教效率。示教再現(xiàn)過(guò)程可分為三個(gè)步驟，即示教、存儲(chǔ)和再現(xiàn)?！笆窘獭本褪菣C(jī)器設(shè)備學(xué)習(xí)的過(guò)程，在這個(gè)過(guò)程中，操作者要“手把手”教會(huì)機(jī)器設(shè)備做某些動(dòng)作?！按鎯?chǔ)”就是機(jī)器設(shè)備的控制系統(tǒng)以程序或數(shù)據(jù)的形式將示教的動(dòng)作記憶下來(lái)。機(jī)器設(shè)備按照示教時(shí)記憶下來(lái)的程序或數(shù)據(jù)重現(xiàn)這些動(dòng)作，就是“再現(xiàn)”過(guò)程。根據(jù)上述三個(gè)步驟，以圖6-41所示的雙軸機(jī)械手為例，介紹示教再現(xiàn)的具體實(shí)現(xiàn)過(guò)程。角度運(yùn)動(dòng)控制的示教再現(xiàn)示教再現(xiàn)操作5角度運(yùn)動(dòng)控制的示教再現(xiàn)旋轉(zhuǎn)軸運(yùn)動(dòng)控制示教再現(xiàn)任務(wù)實(shí)施概況及相關(guān)配置6角度運(yùn)動(dòng)控制的示教再現(xiàn)旋轉(zhuǎn)軸運(yùn)動(dòng)控制示教再現(xiàn)觸摸屏與PLC編程7角度運(yùn)動(dòng)控制的示教再現(xiàn)旋轉(zhuǎn)軸運(yùn)動(dòng)控制示教再現(xiàn)觸摸屏與PLC編程7(5)定義“服軸相關(guān)”結(jié)體。在服軸的旋轉(zhuǎn)示和再現(xiàn)運(yùn)動(dòng)中，需要賦予軸運(yùn)動(dòng)相關(guān)的數(shù)據(jù)或獲得軸運(yùn)行的一些狀態(tài)。因此，建立一個(gè)“服軸