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基于PLC的伺服电机控制系统开发,基于,plc,伺服,电机,机电,控制系统,开发
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基于 PLC 的伺服电机控制系统开发摘要在现代化工业迅速发展的今天，数控机床、运动控制平台等广泛采用 PLC 进 行速度和定位控制。PLC 因其逻辑编程、运算、数据传输和处理等强大功能取代 了继电器，成为近年来最为广泛应用的工业自动化控制装置。其常见控制类型包 含逻辑控制、生产监控、模拟量控制和闭环调节控制，能够与其他系统连接组成 大型控制网络。伺服系统由功率驱动装置、伺服控制器、反馈装置和电动机组成。 它能方便地控制驱动装置的输出力矩、速度和位置。本课题研究基于 PLC 的伺服 电机控制方法，以实现伺服系统的精确速度与位置控制。本文的研究内容和成果主要包括：1.调研了国内外 PLC 伺服系统控制的应用情况，并研究了伺服系统的组成结 构及工作原理。2.针对三菱 MR-J3 系列的伺服系统，设计并制作了 PLC 控制的硬件线路，通 过参数设定实现了位置控制与速度控制两种工作模式。3.通过编程实现了伺服系统的速度、定位、原点回归等基本功能。研究了 PID 控制算法以提高系统的动态响应特性。4.利用组态王软件设计了伺服控制系统的人机界面，通过配置正确的通信接 口实现了上下位机的数据传输，并成功进行伺服电机的速度及位置控制。实验调试顺利通过，证明了以上方法的有效性。关键词 ： PLC，伺服系统，伺服电机，PID 算法， 伺服驱动器DEVELOPMENT OF THE SERVO MOTOR CONTROL SYSTEM BASED ON PLCABSTRACTNowadays,the modern industry is developing in a high speed.CNC machine tools, motion control platform and some others used PLC widely for speed and positioning control. PLC replaces the relays because of its logic programming, operation, data transmission and processing and other powerful features. And it has become the most widely used control devices in industrial automation in recent years. The common type contains the control logic control, production monitoring, analog quantity control and closed loop regulatory control. PLC can be connected with other systems to be a large-scale control network. Otherwise,the servo system is divided into servo controller, power drives, motors and feedback devices. It can easily control the output torque, speed and the position of the driving device.This topic research the method of servo motor control based on the PLC, to accurately control the speed and position of the servo control system.The research contents and results of this paper mainly include:1. Investigated the application of PLC servo system control at home and abroad,and studied the composition structure and working principle of the servo system.2. Aimed at Mitsubishi MR-J3 series servo system,designed and manufactured the hardware line of PLC control,though the parameter setting achieved two modes of position control and speed control.3. Through the programming,realized the basic function of the servo system such as the speed control, positioning control, the return of the origin and so on.4. Using Kingview software designed the man-machine interface of the servo5. control system,realized the data transmission of the upper and lower computer by configuring the correct communication interface,and successfully carried out the speed and position control of the servo motor.The experiment results showed that the above methods were effective.Key words: PLC, servo system, servo motor, PID algorithm, servo driver目录1 绪论11.1 课题的背景及研究意义11.2 国内外的研究现状21.2.1 国内现状31.2.2 国外现状31.3 本课题研究任务及目标42 伺服电机的控制原理52.1 伺服电机概述52.2 交流伺服电机数据模型分析52.2.1 交流电机原理52.2.2 交流永磁电机矢量控制原理62.2.3 闭环控制系统分析82.3 伺服驱动器选型及接线123 PLC 伺服控制153.1 PLC 工作原理及通信163.2 点动及定位控制设计183.2 速度控制及多段速度控制设计253.3 原点回归控制253.4 工作台速度及位置控制264 PID 算法分析304.1 PID 控制原理314.2 PID 多种控制方式324.3 PLC 编程中的 PID 控制334.4 PID 参数的整定与仿真345 人机界面设计与实验调试375.1 组态软件概述375.2 PLC 与组态王通讯连接375.3 人机界面设计415.4 实验调试425.4.1 实验方案设计425.4.2 实验过程455.4.3 误差分析及修正提出466总结与展望47参考文献48致谢50附录51译文及原文551 绪论1.1 课题的背景及研究意义由于今年来工业自动化进程的推进，伺服电机大量应用于机床、印刷设备、 激光加工设备、机器人等对工艺精度、加工效率要求相对高的设备。例如在数控机床中伺服进给系统是数控机床的重要的组成部分，步进电机和 各种伺服电机构成伺服系统中的驱动元件，并因其高转速、适应性强、稳定性等 功能使数控机床具有加工精度高、生产效率高、柔性高等特点。例如在机器人行业中，随着近年来机器人产业在国内的需求逐步增大并带动 了伺服系统的市场需求。伺服电机根据转矩、惯量、精度等的不同需求广泛运用 在工业机器人行业中。如步进电机因其具有大功率质量比和扭矩惯量比、高启动 转矩、低惯量和较宽广且平滑的调速范围的特点适用于驱动机器人的关节；交、 直流伺服电机因其高启动转矩、大转矩、低惯量特点适用于机器人末端执行器。并且随着通讯技术的发展 PLC 广泛应用于中小型单机电气控制、制造业智能 化控制、运动控制及过程控制自动化。在许多企业生产线中的动作控制精度都要 求很高，而传统的控制方法已不能满足这一需求，PLC 拥有完善的位置控制功能， 并且相应厂商生产了针对单轴或多轴伺服电机的位置控制模块，这些自动化模块 的组合使得 PLC 可以满足任何工业需求，极大的展示了其操作方便、运行快、稳 定性高的特点。因此在机床、印刷设备、防止设备、激光加工设备、机器人这些 由伺服电机作为 驱动元件的设备中，PLC 与其完美的结合形成基于 PLC 的高精 度伺服控制系统。本课题启发于 PLC 伺服电机控制系统在工业领域中广泛应用，通过调研国内 外 PLC 伺服控制系统的应用情况，分析伺服电机的工作原理，从而研究设计了 PLC 控制的硬件线路，并通过参数调整实现伺服电机速度及位置两种控制方式。 通过 PLC 编程实现了伺服电机进行精确的正转反转以及速度及位置控制，并应用 到实际工业案例工作台的移动速度及位置控制中。为提高系统的动态响应特性研 究了 PID 算法并结合到实验中，最终实验联调设计方案分析结果及进行改进。91.2 国内外的研究现状1.2.1 国内现状 沈阳理工大学机械电子工程陈白宁、王瑜等人研究了在钢管切割生产线中的冷切割设备控制系统，并设计新系统。系统采用 S7-200PLC 作为控制核心、 安川系列交流伺服电机作为驱动器并结合触摸屏形成人机界面方便控制。经过实 验调试该系统自动化程度十分高，稳定性高，钢管的切削质量较高，并且锯片的 使用寿命长1。2013 年南京师范大学电气工程鞠勇等人基于江苏某集团有限公司对市场需 求而开发的轴承压入机项目。采用基于 PLC 的伺服运动系统来控制轴承压入， 并结合轴承压入机的机械结构与工作的特点,设计实现了 PLC 伺服控制系统的精 确定位。操作方式分为手动和自动两种，通过实际操作发现使用效果良好,达到 了设计提出的要求。最终结果表明该精确定位系统具有较高的精确性2。2010 年广西师范大学硕士罗晓曙等人研究了从光纤连接器插针的高精度研 磨需求出发，通过和某台资光纤插针生产企业沟通了解后，一起设计研发了一套 新的光纤连接器研磨机伺服控制系统。主要研究了伺服系统的组成结构和工作原 理、光纤连接器研磨机操作台 X 轴、Y 轴、A 轴的运动控制方式、完成了对研 磨机的送料系统、气动控制系统和触摸屏人机界面的设计。整机进行编程采用三 菱 FX2N 系列,实现了光纤连接器插针研磨的全自动控制。通过实际应用证明了 研发的样机运行稳定并且能够满足产品各项技术指标要求3。目前,我国钢轨焊接一般采用闪光焊,然而焊接后必定会在焊接处留下一段焊 瘤。因此为了满足对钢轨平直度的要求，2013 年西南交通大学硕士唐茂盛在导 师龚邦命的指导下，对机床整机重新设计并采用 MR-J3-350A 伺服放大器、Q02H 高性能 PLC 和 QD75M4 定位模块的组成，实现了对机床垂直升降机构的控制， 并能使钢轨打磨机床高效稳定4。2014 年大连理工大学硕士娄宇翔在导师韩敏的指导下对电子凸轮进行分析 与研究,总结出电子凸轮设计的一般方法。通过研究机械凸轮的定义和应用,进而 分析了电子凸轮的定义和实现应用方面的案例,并总结出电子凸轮设计的方法。 通过可编程控制器 PLC 结合伺服系统实现了电子凸轮功能的目标，至此为后续 的电子凸轮应用的研究设计起到投石问路的作用5。2008 年兰州理工大学罗生梅、赵学研究和开发了基于 PLC 的全自动纸纱复 合制袋机生产线。最终设计并改进了剪切刀的结构和传动路线。传动路线由伺服 电机单独提供动力。而整体电路通过结合 PLC 与位置控制模块,实现了精确控制 剪切刀速度与走袋速度。整个系统的设计完美结合了可编程控制器(PLC)、变频 器、编码器和伺服驱动等控制部件。解决提出的问题实现了纸纱复合制袋工艺的 自动化生产,并进一步完善了原制袋机的使用中存在的问题和不足6。吴晨曦、蒋嵘提出了 PLC-伺服系统进行位置控制的结构原理,分析了各环节 的作用。并通过以两轴联动控制为例，给出了软硬件设计、实现方法及部分应用 程序;通过实验结果表明,该系统拥有结构简单、控制方便、精准定位和响应迅速 等特点,能够满足位置控制的性能要求,可以进行广泛推广，有实用价值7。2010 年青岛大学徐世宏等人设计了自动剪切生产线的 PLC 控制系统,主要研 究了自动剪切生产线的组成及工作原理、根据生产线的工艺流程,设计其控制系 统、根据生产工艺要求,设计控制程序,包括触摸屏画面和 PLC 程序，经过实验验 证新设计的自动剪切生产线能够满足生产需求并提高效率8。2011 年华中科技大学彭涛通过 PLC 控制实现脉冲磁体绕线机伺服电机控制 系统的开发。首先通过研究综述对绕线机技术的进行讨论。然后分析了 PLC 的 原理及特点，并设计 PLC 程序进行对绕线机控制系统的控制；通过分析步进电 机和交流伺服电机的原理和特点，选择交流伺服电机并运用在新系统中；研究脉 冲磁体绕线过程,并结合实验室原先的脉冲磁体绕线机性能。比较分析出原有设 备在绕线过程中存在的不足;提出了问题并设计了新绕线机系统。实验结果表明 新系统满足所需性能要求9。1.2.2 国外现状2011 年 Aasness, Lance 在Snack Food & Wholesale Bakery上发表了一个 关于伺服泵填料设计的论文，他们的实验使灌装技术有了一个质的飞越。该设计 在控制技术上的进步，推动了成本降低，并大大提高了工作效率。2011 年 Mandeville, David 在Adhesives & Sealants Industry上发表了一篇 关于驱动分配系统的论文。该论文主要研究在粘合剂分配系统中的应用。可编程 逻辑控制器（PLC）与伺服驱动控制系统的结合加快流体运动与分配。2013 年 Gurney, Michael 在InTech上发表了一偏通过 PLC 伺服控制系统改造原有控制系统延长了旧贴标机的寿命，并且提高了吞吐量 25%。 美国内华达州-里诺大学的 A.M.Graham 通过研究 PLC 实施模糊控制策略，通过 PID 算法控制系统误差，并对 11MW 汽轮机的转速调节器进行了仿真。实 验记过证明了 PLC 能够控制小型汽轮机，该实验拓展了 PLC 的利用水平10。意大利葛氏巴利尼机械制造股份公司研制的闸式剪板系统，结合 PLC 控制， 并有着优异的强度、刚度和精度保持性；结合集成式液压系统伺服驱动，极大地 提高了机床运行的可靠性。两者结合有效的提高了设备的自动化程度11。1.3 本课题研究任务及目标PLC 伺服系统的内容十分丰富，应用范围也比较广泛。本论文内容限制在PLC 控制伺服系统时所涉及的接线、编程、原理、算法等范围中。 论文的绪论部分回顾了 PLC 伺服控制系统的现今状况、技术和未来发展趋势，并对本文的研究背景和主要研究内容进行了阐述。 论文第二章主要伺服控制系统的组成结构、工作原理、控制原理及数学模型。伺服系统是 PLC 伺服控制中的基础和关键。因此，本章节研究了交流伺服电机 的结构、矢量控制原理，闭环系统及速度及位置器控制原理。伺服驱动器是伺服 电机的控制器，因此分析完伺服电机后，研究了伺服驱动器的选型、电路设计及 控制方式。论文第三章研究了 PLC 的工作原理，并根据课题内容进行 PLC 选型及硬件 线路图设计。讨论了 PLC 控制伺服系统的方法。并设计了伺服电机速度及位置 控制等案例，进行 PLC 编程，实现了速度及位置控制。论文第四章针对系统存在的稳态误差，研究了 PID 算法并代入 PLC 程序中， 并对结果进行了分析。第五章进行了人机界面设计，实现通过上位机进行电机速度及位置控制，并 进行了实验调试及误差分析。第六章对论文提出总结与展望。2 伺服电机的控制原理2.1 伺服电机概述伺服电动机是指在伺服系统中作为驱动元件的发动机，能够满足任务所需求 的控制精度、快速响应性和抗干扰性的电动机。伺服电动机分为直流与交流两种。在市场上，长期以来占主导地位的是应用直流电动机调速系统。但直流电动 机存在一些固有缺点，如电刷和换向器容易磨损并且换向器会产生火花使速度受 到限制。然而交流伺服电机不存在以上问题，且在同体积的情况下，交流电机输 出功率比直流电机高出 10%70%。因此现代数控机床及其他高精度设备都倾向 采用交流伺服驱动，其中永磁交流同步电机备受青睐。2.2 交流伺服电机数据模型分析2.2.1 交流电机原理 交流电机控制系统是以交流电动机作为执行元件的速度、转矩或位置控制系统的总称。与直流电机相比，交流电机具有转速高、功率大、结构简单、运行可 靠、体积小、价格低等一系列优点。但是从控制角度来说，交流电机是比较复杂 的。图 2.1 交流伺服电机原理图 2.1 为交流伺服电机的运行原理图。为了便于说明，途中将实际电机的“三 相整距离集中式绕组”以单匝线圈的形式进行表示由图可见，交流伺服电机的结 构相当于将质量电机的定子与转子进行了对调，当定子绕组通电后，通过电绕组上电磁力的反作用，使得转子产生旋转13。 交流伺服电机以功率管的电子换向取代了直流电机的整流子与换向器，保持了直流电机的优点。同时又避免了换向器带来的制造、维修等问题，改善了电机 的散热效果，它兼有直流电机与交流电机两者的优点。这种电机不仅有响应快、 控制精度高、调速范围大和转矩控制方便等优点。并且使用寿命长、维修方便、 运行可靠性高、控制简单。2.2.2 交流永磁电机矢量控制原理 交流永磁同步电机采用正弦波的供电方式，其运行平稳，动、静态特性好。它能够消除方波电力突变带来的转矩脉动，但控制也比无刷直流电机复杂需要采 用矢量控制技术。交流永磁同步电机的矢量控制的数学模型可以按照以下步骤建立：将三相定子电流合成为同意的合成电流。将定子合成电流分界为两相正交电流，完成电流的 3-2 变化。将定子坐标系中的两相蒸饺电流转化到转子坐标系上。在转子坐标系中建立定子电压平衡方程。根据转子磁场与定子电流的正交分量建立电机的运行方式。 定子电流的合成过程如下： 为了便于分析，将三相电子电流以余弦的方式表示如下：iu = I 1 cos wtiv = I 1 cos(wt + 2p / 3) iw = I 1 cos(wt + 4p / 3)(2-1)考虑到三相定子绕组本身在定子中的空间位置互差 2/3 所以 IS 可以机选 如下：is = I1 coswt + I1 cos(wt + 2p/ 3) cos(2p/ 3)+ I1 cos(wt + 4p/ 3) cos(4p/ 3)= 3 I1 coswt2定子电流变化过程如下：(2-2)定子电流与转子磁场在电机中都是空间旋转的矢量，且两者存在一定的夹角 才能输出转矩，如果将两者在同一静止参考坐标系 a-b 上表示，可以得到图 2.2所示矢量图13。isiqibzqiaid转子磁链矢量图 2.2 电流与磁场矢量图可以得到定子电流矢量转化到转子磁链矢量 d-q 坐标中的表达式为：ia = is cos zib = is sin zid = ia cos q+ ib sin qiq = ib cos q- ib sin q(2-3)接下来需要建立定子电压平衡方程，需要在 d-q 坐标中分界磁链，进过计算 与代入得到下式。定子电压平衡方程：ud = Rid+ L did- Lwiqdtquq = Riq + L didt+ Lwid + Kw(2-4)因此如果控制与转子磁链相同的电压分量 ud ，使得定子电压平衡方程中的id = 0 ，这就意味着电机在旋转过程中式中有z -q= p/ 2 ，即电机可以输出在最 大转矩的情况下按照同步转速旋转，这时我就可以得到永磁同步电机的运行方 程。ud = -Lwiq电机运行方程：uq = Riq+ L diq + Kwdt(2-5)M = Kiq2.2.3 闭环控制系统分析 全闭系统控制的特点是在移动部件上安装了之间位置检测装置，它可以检测系统最终控制对象的实际速度与位置，并与指令值进行比较后构成闭环，从而实 现移动部件的精确运动和定位，系统构图如图 2.3。图 2.3 闭环驱动系统组成原理图其中速度及位置控制器的数学分析模型如下：（1）速度控制器设计速度*控制器*电流TL控制系统wrm+-iGs (s)q1Tcqs +1iqTeKTGsc* (s)1wrmJs图 2.4 速度控制系统框图根据图 2.4 对伺服系统中常见的 PI 速度控制器的设计方法进行说明。PI 速度控制器的传递函数为：Gs(s) =Ksp +Ksi s（2-6）式中 Ksp, Ksi 为比例、积分增益。图 2.4 中伺服电机的转矩 KT 和转动惯量 J 已 知，并认为系统交叉角频率wc 已设定好，在这个情况下速度控制器的增益值是可以计算得到的，但是会比较麻烦。这里推荐利用速度控制系统开环传递函数频 率特性的建议设计方法14。PI 速度控制系统的开环函数：G (ssc0) = (Ksp +Ksi ) 1 KT（2-7）sTcq s +1 JsscG0 (s) 的直线近似频率特性如图 2.5 所示。同时，其所包含的三个传递函数 频率特性也在图中用虚线表示出来。从图中可以看出，iq 控制系统的交叉角频wciq比 PI 速度控制系统的交叉角频率wsc 高上数倍，在其附近 iq 控制系统的闭环传递 函数 G0 (s) 可看出近似 1.iq即 G0 (s) 1 同时 PI 转折点角频率wpi 为:wpi = Ksi / Ksp（2-8）s当wpi 为wsc 数分之一时，wsc 附近有 G0 (s) Ksp-40dB/dec-20dB/dec0wpiscG0 (s)wscwcKsp +Ksi s1Tcqs +1KTJs-40dB/dec-20dB/dec图 2.5 PI 速度控制系统的开环频率特性通过上述分析可得一下三式scTG0 (s) = Ksp KJs（2-9）JwscKsp =（2-10）KTwpi wsc / 5（2-11）19假设 PI 速度控制系统的交叉角频率wsc 为 500rad/s，则wpi 为 100rad/s，改变 iq控制系统的交叉频率wc 时的 PI 速度控制系统的阶跃响应如图 2.6 所示。可以看 出如果把内换的 iq 控制的wc 在wc 5 倍以上时就可以忽略 iq 控制系统对速度系统响应的影响，此时可以认为 Teq =0。rmwrm /w*wc = 2wscwc = 3wscwc = 5wscwc = 1.251.000.750.500.2500.010.020.03时间/s图 2.6 PI 速度控制系统的阶跃响应（2）位置控制器设计q*rmw*i*qKpprmG (s)1iqwsTcqs +1KT1Jsrm 1s速度控制环位置控制环图 2.7 位置控制系统构成框图如图 2.7 可见位置控制系统构成图，在位置控制系统中，通常不希望位置的阶跃响应产生超调，因此，位置控制大多都采用 P 控制。在速度控制环节内部， 常都设有电流控制环，在这里忽略不计，认为其闭环传递函数为 1。此时位置控 制系统的闭环传递函数：qp*Gc (s) = qrmrm=1Tp s +1（2-12）其中 T p= 1 / K pp，由于Tp 是位置控制系统交叉角频率wp 的倒数，因此K pp = wp 。结合速度控制系统的传递环数，并根据（2-10），（2-11）,（2-12），综合 可得位置系统的闭环传递函数：scGc (s) =w s +w2 / 5scscs2 +w s +w2 / 5（2-13）scsc因此设定位置控制系统的交叉角频率wp 为 50rad/s，使速度控制系统的交叉 角频率发生变化时，计算出位置控制系统的阶跃响应如图 2.8 所示。rmqrm /q*1.0（wp = 50rad / swsc = 100rad /wsc = 150rad /wsc = 250rad /wsc = 500rad /wsc = 0.10时间/s图 2.8 位置控制系统的阶跃响应2.3 伺服驱动器选型及接线交流伺服伺服系统主回路设计主要是根据选定的伺服电机规格，进行伺服驱 动器以及主回路配套件的型号规格选择。伺服驱动器的选择应根据伺服电机规格进行选择。目前，通用型交流伺服驱 动器通常有通用接口与总线接口型两种。根据实验类型，选择三菱 MR-J3-A 系列。表 2.1 系列驱动器配套附件驱动器 型号 MR-J3电压等级直 流 电 抗 器交 流 电 抗 器滤波 器零 相 电 抗 器外 置 式 制 动器20A/B单相FR-BEL-0.FR-BAL-0.HF301FR-BSF01MR-RB032(AC230V或4K4K0A40 /30w)三相或AC200VMR-RB12(40/300w)表 2.2MR-J3 规格与性能产品系列MR-J3控制电机功率50w55kwPWM 形式正弦波 PWM控制方式矢量控制控制类型位置、速度、转矩位置给定输入形式SSCNET 高速总线（光缆）或两相脉冲输入速度给定输入形式010V 模拟量转矩给定输入形式08V 模拟量续表 22最高定位脉冲输入频率1MHz（差分脉冲输入）；200KHz(集电极开路输入)位置测量系统18bit(262 144p/r)直接外部输入控制方式速度控制范围1:2000伺服控制方式的内部速度控制范围1:5000伺服速度控制方式的速度控制误差0.01%外部输入模拟量输入速度控制误差0.02%速度（频率）响应（Hz）900伺服电机最高转速（r/min）6000最大负载惯量比30MR-J3 系列电源/驱动一体型驱动器的主回路连接端布置图 2.9。图 2.9 主回路连接端布置图驱动器的主电源连接需要注意如下问题：输入电源必须连接到端子 L1/L2/L3 上，切不可连接到电机点数连接端 U/V/W。当驱动器使用直流电抗器时，应断开短接端 P1 与 P2，并将直流点看起串联到 P1 与 P2 上；如不使用电流电抗器则必须保留 P1 与 P2 间的短接端。对于使用内置式制动电阻的驱动器，必须保留 P 与 D 间的短接端。MR-J3 系列驱动器的控制方式可通过基本参数 PA01 的设定选择，控制方式 分为“基本控制”与“可切换控制”两类。作为一般应用，驱动器通常直接选择独立的位置控制、速度控制、转矩控制 三种基本方式。当控制方式要求随对象改变时，可通过参数 PA01 的设定，利用 驱动器 DI 信号 LOP 进行控制方式的切换；LOP 信号 OFF，驱动器选择第一种 控制方式；LOP 信号 ON，则选择第二种控制方式。3 PLC 伺服控制PLC 在工业控制中应用十分广泛，具有编程简单、操作方便、功能强的特点。 常见的用途有模拟量控制和开关量控制。一般情况下，PLC 是用来与上位机进行 通讯。然而在 PLC 通讯扩展口插入通讯功能板块后，可以方便的实现 PLC 与其 他设备的数据传输使 PLC 的使用范围进一步扩大。例如本课题中使用的 MR-J3 型伺服驱动器与 PLC 的连接。3.1 PLC 工作原理及通信PLC 有多种输出方式，一般采用晶体管输出。晶体管是一种电子原价，属于 无触点原件，它可以用来通过基极电流来控制几点几与发射极的导通。相比较于 继电器输出，晶体管输出电路形式响应较快速度在 0.2ms 以下，因此比起继电器 晶体管的寿命没有限制，只有原件老化的情况存在。PLC 的硬件部分由中央处理单元、储存模块、输入/输出（I/o）模块、电源 模块、通信模块、编程器等部分组成。PLC 与伺服系统结构图如下图 3.1 所示。PCPLC伺 服 控制器编码器伺服电机图 3.1PLC 与伺服系统结构图PLC 在系统中，可以成为网络主站，因其是有数据交换控制权的设备。而像 伺服驱动器这样的设备，只能接受与执行网络控制命的成为网络从站。网络设备 之间通过通信电缆连接即网络中线连接。主站可以对多个从站进行通信控制。因 此在本课题中，PLC 为主站控制从站 MR-J3 伺服驱动器。采用的是 RS-485 总 线与伺服驱动器通信，完成对他们的控制命令写入和实时读取功能。3.2 点动及定位控制设计点动控制要求伺服电机在收到脉冲信号后根据脉冲方向转动一定角度。而定 位控制要求是输入一定的脉冲数转了所预期的圈数，并且根据伺服电机的电子齿 轮值与编码器分辨率可以推导出输入脉冲数相当于电机转了多少转。由此可见点 动控制和定位控制十分相似并且在 PLC 与伺服驱动器的连线可以一样如图 3.2 所示。-U124VDCMR-JE-20AOPC-U2- +DICOMLDOCOMNAC220V电源+FX13-K024VDCGND+FX 系列 PLC 主机S/S控制屏面COM K0EM2 强制停止SON 伺服开启RES 复位-S0S0com-S1S1X0 正转-K1 K1OMCCR-K2com-S2comS2X1 反转X2 停止COM K2K3-K3COMLSP 正转行程末端LSN 反转行程末端COM0 Y0 COM1 Y1PP 正转脉冲列NP 反转脉冲列图 3.2 位置控制模式连线图 在线路连接完成后，需要进行伺服驱动器的参数设定，需要将伺服驱动器调整在位置控制模式之下。位置控制模式下，伺服电机收到正负极脉冲后，会进行正反转并且会根据收到的脉冲数进行转动，正反极性脉冲示意图如 3.3、3.4 所示。PPNPHL正转反转图 3.3 正极性脉冲+方向输入PPNPHL正转反转图 3.4 负极性脉冲+方向输入此时可以在上位机 PC 端的 PLC 编程软件 GX-DEVELOPER 中编译程序并 写入 PLC 中，点动梯形图如图 3.5 所示，定位控制梯形图如 3.6 所示。图 3.5 点动梯形图在 X0 上升沿按下点动按钮使 Y0 置位，在 X0 下降沿按下松开按钮使 Y0 复 位，由此完成伺服电机的点动过程。图 3.6 定位控制梯形图3.2 速度控制及多段速度控制设计速度控制原理上与定位控制相差不多。当伺服驱动器在位置控制模式下，可 以不修改连线方式，继续连线如图 3.2 所示。此时，设计仅需将图 3.6 中的 18 行指令删除，并且将第 10 行指令修改成图 3.7 所示，其中 D0 是寄存器代表输出 脉冲频率可正可负。图 3.7 速度控制指令将程序修改完成后在 PLC 中输入脉冲频率值即可实现速度控制，并且由于 正负脉冲的不同可以控制电机进行正反转动。速度多段控制设计需要将 PLC 与伺服驱动的连线图进行更改如图 3.8 所示。图 3.8 速度模式下硬件连线 连线完成后需做电路转变工作。220V 的单相交流电源电压经开关送到伺服驱动器的 L11、L12 端，因而伺服驱动器内部控制电路开始工作，ALM 端变为 ON， VDD 输出电流经继电器 RA 线圈进入 ALM 端，电磁制动器外接 RA 触点闭合，制动 器线圈得电使抱闸松开，停止对伺服电动机制动，同时驱动器启停保护电路中的 RA 触点也闭合，如果这是按下 ON 触点，接触器 MC 线圈得电，MC 自锁触点闭合， 锁定 MC 线圈供电，另外 MC 触点也闭合，220V 电源送到伺服驱动器 L1、L2 端， 为内部主电路供电16。速度多段控制控制要求图如 3.9 所示，并且提出控制要求。在按下启动按钮 后，在 05s 内停止转动，在 515s 内以 1000r/min 速度转动，在 1521s 内以 800r/min 速度转动，在 2130s 内以 1500r/min 速度转动，在 3040s 内以 300r/mi 速度转动，在 4048s 内以 900r/mins 的速度反向转动，48s 后重复上述过程。若 在运行过程中按下停止按钮，则要求运行完当前周期后再停止。由一种速度转为 下一种速度时的加减速度时间都为 1S。速度（r/min）150029100080030010000515213040485363-900时间（s）图 3.9 伺服电机多段速度的速度曲线 将伺服驱动器设置参数 PA01 将数值修改成 1002 使电机变为速度控制模式并需要将一系列参数修改如表 3.1 所示后，可以实现多段速度控制。3-1 速度多段控制参数修改表参数名称初始值设置值说明PA01控制模式选择00001002设置成速度控制模式PC01内部速度 110000r/minPC02内部速度 2500010001000r/minPC05内部速度 31000800800r/minPC06加速时间常数010001000msPC07减速时间常数010001000msPD01用于设定 SON、LSP、00000111SON、LSP、LSN 内部自动置LSN 的自动置 ONONPD03输入信号选择 201110AA1在速度模式下把 son 改成 SP3PC08内部速度 420015001500r/minPC09内部速度 5300300300r/minPC10内部速度 6500900900r/min按下 SB1，PLC 程序运行，按设定时间从 Y003Y001 端输出速度选择信号到伺服驱动器 SP3SP1 端，从 Y004、Y005 端输出正/反转控制信号到伺服驱动 器的 ST1、ST2 端，选择伺服驱动器中已设置好的 6 种速度。表 3-2 ST1、ST2、SP3SP1 端的控制信号与伺服驱动器的速度对应关系ST1(Y004)ST2(Y005)SP3(Y003)SP2(Y002)SP1(Y001)对应速度00000电机停止10001速度 1=010010速度 2=100010011速度 3=80010100速度 4=150010101速度 5=30001110速度 6=900伺服驱动器的参数修改完成后，进行 PLC 梯形图的编译。图 3.10 速度多段控制程序 1如图 3.10 所示 PLC 上电，M8002 触点接通一个扫描周期状态继电器 S0 置 位，S0 常开触点闭合。停止控制。图 3.11 速度多段控制程序 2如图 3.11 所示启动控制；停止控制时，M0 敞开触点闭合，使 Y001Y005输出为 0ff，同时 Y000 输出为 ON，对伺服驱动器复位。图 3.12 速度多段控制程序 3如图 3.12 所示控制伺服驱动器，按速度 1 驱动电机运行，同时开始计时5s 后转到速度 2 。图 3.13 速度多段控制程序 4如图 3.13 所示控制伺服驱动器，按速度 2 驱动电机运行，同时开始计时10s,10s 后转到速度 3 。图 3.14 速度多段控制程序 5如图 3.14 所示控制伺服驱动器，按速度 3 驱动电机运行，同时开始计时 6s,6s后转到速度 4 。图 3.15 速度多段控制程序 6如图 3.15 所示控制伺服驱动器，按速度 4 驱动电机运行，同时开始计时 9s,9s后转到速度 5 。图 3.16 速度多段控制程序 7如图 3.16 所示控制伺服驱动器，按速度 5 驱动电机运行，同时开始计时10s,10s 后转到速度 6 。图 3.17 速度多段控制程序 8如图 3.17 所示控制伺服驱动器，按速度 6 驱动电机运行，同时开始计时 8s,8s 后若本周期进行停止控制，M0 常开触点闭合，执行“SET S0”，进入再启动状态； 后若本周期未进行停止控制，M0 常开触点断开，M0 长闭触点闭合，执行“SET S20”，进入下一个周期。3.3 原点回归控制在执行 DRVI 相对位置控制和 DRVA 绝对位置控制时。PLC 利用自身生产的 正脉冲或者反脉冲进行当前值得增减，并将其保存在前值寄存器（Y000；Y001） 中。因此 PLC 可以记录这些机械的当前位置值并保存，但当 PLC 断电时就会消 失，因此在上电和初始运行时，必须执行原点回归，将机械动作原点的位置数据 事先写入，原点回归指令如图 3.18 所示。图 3.18 DZRN 指令其中 K3000 表示原点回归开始时的速度。K500 指爬行速度，即指定近点信 号变为 ON 后的低速部分的速度。X004 为指定近点信号输入。Y000 为脉冲输出 起始地址。整体回归原点顺序如下图 3.19 所示。初始位置爬行速度原点回归速度原点位置 工作台前端检图 3.19 原点回归顺序图 结合实际工作台如图 3.20，并设计 PLC 梯形图如图 3.21 所示。图 3.20 工作台示意图图 3.21 原点回归程序图3.4 工作台速度及位置控制工作台多段速度控制设计方案：使用 PLC 控制伺服驱动器来驱动伺服电机 运转，通过与电动机同轴的丝杆带动工作台移动。提出要求在自动工作时，按下 启动按钮，丝杆带动工作平台向右移动直到 B 位置，该处有安装限位开关。工 作台停止 2s。然后往左返回到 A 位置时，该处安装有限位开关。工作台停止 2s ， 又向右移动。如此反复，运行速度/时间图如下图所示。按下停止按钮后，工作 台停止工作。在手动操作时，通过操作左右按钮，可使工作台在 A、B 间慢速移 动，速度曲线如下图 3.22 所示，工作台示意图如 3.23 所示。速度ABBAA2S2S时间图 3.22 速度曲线图 3.23 工作台示意图电路准备过程如 3.2.2 章中一致，并在确定电路安全上电后进行参数修改如表 3-3 所示。表 3-3 参数设置参数名称初始值设定值说明PA01控制模式选择00000002设置成速度模式PC05内部速度 110010001000r/minPC06内部速度 2500300300r/minPC01加速时间常数010001000msPC02减速时间常数010001000msPD01功能选择 200000010停止时伺服锁定，停电时不能自动重新启动PD03用于设定 SON、 LSP、LSN 的自动00000001SON、LSP、LSN 内部自 动置 ON置 ON编译 PLC 梯形图如附录 A 中，梯形图工作原理：PLC 上电，M8002 接通一 个扫描周期，状态继电器 S0 置位，s0 敞开触点闭合。自动启动控制。停止控制， 同时，将状态继电器 s0 置位，使 so 常开触点闭合，为再进行手动或自动做准 备。自动控制程序开始；手动慢右运行；手动慢左运行。自动快速右运行。 B 位置停止 2s。 自动快速向左控制。A 位置停止 2S。工作台位置控制设计方案：使用 PLC 控制伺服驱动器来驱动伺服电机运转， 通过与电动机同轴的丝杆带动工作台移动。按下按钮，伺服电动机通过丝杆驱动 工作台从 A 位置向右移动 30mm 停止 2S，到达 A 位置，工作台再停止 2S，又 向右移动，如此反复。在工作台移动时，按下停止按钮，工作台运行完一周后返 回到 A 点并停止移动。要求工作台移动速度为 10mm/s，设定丝杆螺距为 5mm。3.24 工作台示意图电路准备工作如 3.2.2 章节所述，当电路安全上电后，进行参数修改如表 3-4所示，工作台示意图如 3.24 所示。表 3-4 伺服驱动器的参数设定内容参数名称初始值设定值说明PA01控制模式选择00000000设定位置控制模式PA06电子齿轮分子116384设定上位机 PLC 翻出PA07电子齿轮分母16255000 个脉冲让电动机 转一周PD01功能选择 300000001用于设定电动机转数和转向的脉冲串输入PD03用于设定 SON、00000001形式为脉冲+方向SON、LSP、LSN 内LSP、LSN 的自 动置 ON部自动置 ON在位置控制模式中，需要设置伺服驱动器的电子齿轮值。电子齿轮值=编码 器产生的脉冲数/输入脉冲数。由于使用的伺服电动机编码器分辨率为 131072（即 编码器旋转一周会产生 131072 个脉冲）。如果要求伺服驱动器输入 5000 个脉冲 电动机旋转一周，电子齿轮值应为 131072/5000=16384/625。所以才设定电子齿 轮分子为 16384，电子齿轮分母 625。进行 PLC 程序编译如附录 A 中所示，梯形图主要工作原理：PLC 上电，M8002 触点接通一个扫描周期。运行时 M0 触点闭合，停止时 M0 触点断开，程序无法 往下执行。Y001 线圈得电，M1 触点闭合脉冲输出 DPLSY 指令执行。脉冲输出 完毕 M8029 触点闭合。电机停转 2s。M2 线圈得电，M2 触点闭合脉冲输出 DPLSY 指令执行。脉冲输出完毕 M8029 触点闭合。M1 或者 M2 触点闭合，脉冲输出 DPLSY 指令执行，从 Y000 输出频率为 10000HZ、数量为 30000 个脉冲信号， 程序结束。4 PID 算法分析4.1 PID 控制原理常规 PID 控制系统如图所示比例r(t)e(t)U(t)积分被控对象微分图 4.1PID 控制系统图PID 控制器是一种线性的控制控制器，一般模拟 PID 控制系统数学方程为：391 tde(t)u(t) = Kpe(t) + e(t)dt + Td（4-1）Ti 0dt其中：u(t)是系统的输出值；e(t)是系统反馈值与设定值之间的误差值；Kp 是比例系数；Ti 是积分系数；Td 是微分系数。表达式展开后可表达为：tde(t)u(t) = Kp*e(t) + Ki e(t)dt + Kd（4-2）数学表达式解析：比例部分数学表达式：0dtKp*e(t)（4-3）在 PID 控制器中，比例部分可以对系统偏差做出快速反应。当偏差产生时， 控制器会做出反应使被控对象的的偏差变小。通过比例部分的数学表达式，可以 看出 Kp 比例系数是调节控制器偏差能力的重要系数。因此 Kp 越大则 TI 调节能 力越强，系统稳态偏差也就越小。然而当 Kp 值取过大时，系统会因为过度时间 短而导致振荡现象，会致使控制系统稳定性被破坏。因此，只有选择恰当的比例 系数，才能实现稳态运行23。积分部分数学表达式：* 1tKp Ti 0 e(t)dt（4-4）在控制系统中，积分控制的作用是为了消除稳态误差。原理是当偏差为零时， 积分项为零，此时系统控制作用为常量，因此也就消除了稳态误差。然而，随着 积分常数的扩大，虽然使系统在过度时较为稳定不会产生振荡，但是系统反应时 间会延长。因此在现场应用中，要根据实际需求来确定积分系数 Ti。若要求反 应时间短则取较小 Ti；若要求稳定性高则取较大 Ti。微分部分数学表达式Kp *Td de(t)dt（4-5）在实际控制中，不但要消除控制系统的稳态误差也要消除控制系统的偏差。 然而还要求系统对偏差的变化速率进行纠正。这就是微分控制的意义。微分环节 可以对偏差的变化速率进行控制，加入这一环节主要是为了抑制偏差的变化。对 比数学表达式，微分控制取决于微分常数 Td.当 Td 越大微分控制就越强；当 Td 越小微分控制越弱。4.2 PID 多种控制方式P 控制 只用比例环节进行控制，输出量只和设定值与反馈值得偏差成比例关系，系统存 在稳态误差PI 控制 在比例环节后加入积分环节，使系统稳态误差减小，缺点是积分项会随着运行时 间的增大而增大，反应时间变长。PD 控制 比例环节微分环节结合，可以使控制系统抑制误差作用趋近于零，避免超调现象， 改变系统的动态性能。PID 控制 三种方式结合，是最为理想的控制方式。即使对一个被控对象的结构或参数不够 了解。也可以用 PID 控制系统获得一个较为理想的控制效果。4.3 PLC 编程中的 PID 控制因为控制系统本身存在稳态误差，所以需要通过 PID 控制来使系统稳态误差 减小，使稳态误差无限趋近于零。PID 编程需要先进行采样，再进行比例、积分、 微分运算，最后输出。编程如下图 5.1、5.2 所示。M8002写入设定值到 D100采样时间设定 输入滤波常数 比例增益 Kp积分时间（单位 100ms） 积分增益（0100%） 微分时间（单位 100ms） 输出上限设定值 输出下线设定值MOV K125 D100MOV K1000 D200 MOV K50 D201MOV K30 D202MOV K30 D203MOV K80 D204MOV K30 D205 MOV K1000 D206 MOV K500 D207图 4.2 采样编程启动 PID 调节器M10PIDD100D10M10目标值 测量值 参数首地址 输出值D200 D20Y004RST D20图 4.3 启动编程4.4 PID 参数的整定与仿真根据（4-2）可得出 PID 传递函数为：GPID(s) = Kp(1+1Tis+ Td s)（4-6）根据上式可以发现 PID 算法的核心取决于比例系数 Kp 、积分系数 Ti 和微分系数 Td ，三个系数的取值不同决定了比例、微分和积分的控制强弱。因此在控 制系统的结构确定、控制仪表和控制对象处于正常的情况下，适当的选择 PID 参数可以使控制系统的运行状态达到最佳。由于本课题研究了伺服系统的位置控制，并且 PID 位置控制被认为是带纯 延迟的一阶惯性环节且被控制对象的单位跃阶响应曲线看似一条 S 形曲线时，可 使用 Ziegler-Nichols 参数经验整定法进行，传递函数为：G(s) =KTs +1e-tt（4-7）其中 K 为比例系数；T 为惯性时间常数；t 为纯延迟时间常数。 结合课题，PID 仿真将使用 MATLAB 进行。设计过程：第一步先根据 Ziegler-Nichols 参数经验整定法在 MATLAB 中设计一个 PID控制器。（程序附于附录中）第二步在 MATLAB 中的 command window 输入下列程序可得原函数阶跃曲 线图及 K 值。 num = 1; den = conv(1,1,0.5,1);step(num, den); K = dcgain(num, den)K = 1根据图 5.4，K=1 由此可得 K=1，L=0.3179，T=2.289，从而，可用 MATLAB 语言求出Kp = 8.6405 ， Ti = 0.6358 ， Td = 0.159 。因此得到 PID 控制器三个参数的值，可得出传递函数：GPID = 8.6405(1+10.6358s+ 0.1590s)（4-8）图 4.4 原系统单位阶跃响应曲线根据传递函数（4-8）可做出加入 PID 控制器前后的系统单位阶跃响应曲线。图 4.5 为加入 PID 控制器的结构图图 4.6 未加入 PID 控制器闭环响应曲线图图 4.7 已加入 PID 控制器的结构图图 4.8 加入 PID 控制器后闭环响应曲线图对比图 4.8 与图 4.6 发现加入 PID 控制器后系统调节时间为 ts = 8.1s 且系统存 在较大的稳态误差，超调量s% 20%，ts 6s ，因此 PID 控制器不满足要求， 继续更改 PID 参数最终可得到较满意参数如下：图 4.9 改变 PID 控制器参数后系统结构图图 4.10 改变 PID 控制器参数后闭环响应曲线图当将参数更改为 Kp = 10,Ti = 0.2,Td = 0.8 时系统获得较好特性，此时传递函数为：GPID = 10(1+10.2s+ 0.8s)（4-9）此时根据图 5.10 可得新系统的调节时间为 ts = 5.6s ，超调量s% 18% ，且无 稳态误差。因此对比未加入 PID 控制器系统的响应速度明显提高，性能获得改 善。因此 PID 控制器满足系统需求。5 人机界面设计与实验调试5.1 组态软件概述组态软件又称组态监控软件系统软件，指能够进行数据采集与过程制作的专 业软件。组态软件操作方便不需要编写计算机程序，用户通过类似“搭积木”的组 图方式来完成自己所需要的平台进行监视与控制过程。组态软件的发展基于 PC 技术的发展，因此基于 PC 的控制系统相对成本低、软件之间互操性强、方便使 用，因此广泛应用于工业控制技术中。组态软件具有专业性，一种组态软件只能适合某种领域的应用。组态软件支 持各种主流工控设备和标准通讯协议。组态软件一般拥有以下几个功能呢：强大 的显示组态功能；良好的开放性；丰富的功能模块；强大的数据库；可编程命令 语言；周密的系统安全防护与仿真功能。国内外有许多专业的组态软件。这里推荐国内的组态王 KINGVIEW，其适 应性强、开放性好、易于扩展、经济、开发周期短等特点使其市场占有率为国内 第一。5.2 PLC 与组态王通讯连接PCL 与组态王设计主要涵盖两方面，一是硬件接线，二是通讯协议的选用和通讯参数 设置。表 5.1 本实验软硬件属性操作系统Windows XP三菱 PLC 型号FX3GPLC 编程软件GX Developer组态王版本6.53组态王驱动版本60.2.30以下为通讯接口设置过程：图 5.1 串口信息设置串行数据在传输过程中可能会出现错误，即“误码”。而最简单的检错方式 就是“奇偶校验”，即在传送字符之外，再传送 1 位奇/偶验位。“奇偶校验” 能够检测出部分“误码”，2 位及 2 位以上不能检出。9600 波特率意味着理论上 可以每秒传输 9600/8 个英文字母的数据量，即 1200 个字节。大多数 PLC 与工 业控制计算机采用串口通信，本机采用 RS232 为通讯接口。本实验采用 FX2 编程口来通讯如图 5.2，指定设备逻辑名称为 PLC 如图 6.3， 串口设备选择 COM1 如图 5.4，地址默认为 0，完成设置如图 6.5。设置完成后需构建数据库创建 I/O 变量。数据库是“组态王”软件的核心部 分，工业现场的生产状况以东华的形式反映在屏幕上，操作者在计算机前发布的 指令也能迅速送达生产现场，所有这一切都是以实时数据库作为中间环节，所以 数据库是联系上位机和下位机的桥梁。在定义变量时，要指定变量名和变量类型， 某些类型数据还需要一些附加信息。本实验变量添加过程如图 5.6 所示，需要定 义变量 X0、X1、Y0、Y1。图 5.2 设备配置 15.3 设置配置指定逻辑名称5.4 设备配置串口号选择5.5 设备设置完成.495.3 人机界面设计图 5.6 定义变量过程编辑新画面，根据设计实验所需先含有点动按钮、正脉冲输入界面、负脉冲输入界面，速度 控制界面、原点回归按钮等其他显示状态的指示灯与紧急停止按钮。设计拉动图标并建立动 画连接。并且要求画面人性化、简洁明了、方便控制。根据以上需要制作人机界面如下图 5.7 所示。图 5.7 人机界面5.4 实验调试5.4.1 实验方案设计根据 THPFSL-2 型实验平台进行实验验证。实验目的：实现伺服电机的定位 和速度控制。由于 THPFSL-2 型实验平台属于一个半闭环系统，因此电机在最终 的转速与转动的位置可能会存在，因此设计如下方案：记录输入脉冲数，对比位置控制中最终输出的脉冲数是否与设定值相同，并且 在速度控制中使用手持式测速传感器对比实际速度与设定速度是否相同。若出现误差则计算出误差率。提出修改误差的方法并进行修正。5.4.2 实验过程位置控制实验装置如下表 5-1 所示：表 5-1 实验设备序号名称型号数量备注1可编程控制器综合实训装置1 台2交流伺服控制系统MR-JE-20A1 件挂箱3手枪插式专用实训导线若干4安装 PLC 编程软件的 PC 机一件挂箱将导线连接完成后，并打开 PC 上位机中的组态软件，进行实验联调。图 5.8 位置控制模式实验接线图 实验原理是在晶体管输出的 PLC 上发出脉冲串，输入到伺服放大器的脉冲输入端，对伺服放大器进行控制。首先将“交流伺服控制系统”挂箱上电，并修改 参数，如下表 5-2 所示，表中参数编号释义可见表 3-1 中参数。表 5-2 参数修改序号编号设定值1PA0110002PA1300013PD0100004PD0302025PD1107036PD1308067PD170A0A8PD190B0B使用组态王进行位置控制，观察得伺服电机能够进行顺利进行点动、正反转 及即时停止等位置控制。但是在进行位置控制时，由伺服驱动器自带编码器显示 的脉冲数与所设定的脉冲数存在一定的偏差。本次实验输入 20000 脉冲数，在电机转动结束后，伺服放大器显示 20963脉冲数。误差脉冲数 20963-20000=963，误差 4.8%。 速度控制实验装置如下表 5-3 所示：表 5-3 实验设备序号名称型号数量备注1可编程控制器综合实训装置1 台2交流伺服控制系统MR-JE-20A1 件挂箱3手枪插式专用实训导线若干4安装 PLC 编程软件的 PC 机一件挂箱本实验根据伺服放大器的速度运行控制方式，通过设定好电机内相应的参数 后改变外部接线实现速度控制。首先将“交流伺服控制系统”挂箱电源接到控制屏 上，打开电源开关，并接入 24v 电源，此时“故障”灯与“零速度检测”灯点亮。并 显示报警信息闪动的 ALE6.1。然后测试电机运行，按“MODE”将模式切换至 “RD-OF”，按“”键四次，知道显示 TEST1 时按 SET 键两秒以上，此时数字显示 d-01 并最后小数点闪动。按“”“”可测试电机是否能够正反转动，并且确定电机 编码线和电机线连接无误，此时接线如下图 5.8 所示。图 5.8 速度多段控制实验接线接线完成后进行参数设置如下表 5-4 所示，表中编号所属释义见表 3-1.表 5-4 参数设置序号编号设定值1PA0110022PC052003PC063004PC075005PC086006PC097007PC108008PC119009PD010C0010PD03020211PD11070312PD13200613PD17210A14PD19220B参数设定结束后可使用组态王进行信号控制，可以控制伺服电机进行低速、 中速、高速控制。并且通过调整伺服控制器中，加减速时间来调控加减速过程。 调速方式如下表所示进行调速试验。表 5-5 调速图序号SP1SP2SP310002001301040115100610171108111续表 5-5根据表 5-5 调速可实现:200r/min、300r/min、500r/min、700r/min、800r/min、 1000r/min 的多段速度控制，并且根据伺服驱动器自带反馈显示转速都没有出现 误差，误差率 0%。5.4.3 误差分析及修正提出当 PLC 控制伺服电机进行定位控制时，出现了 4.8%的偏差。影响伺服电机 工作精度的因素有包括：机械原因、伺服原因、PLC 原因。因为在多段速度控制中，电机输出转速与伺服驱动器中所输入转速参数一 致，因此可以基本判断定位控制误差并非机械原因，但由于地府电机采用增量式 编码器因此会有很小的累积误差。而在伺服方面，由于实验平台是一个集成平台， 电路之间可能存在干扰，可能存在伺服系统抗干扰能力不强，并且需要调整好电 子齿轮数。由于 PLC 的扫描周期是变化的因此可能存在周期性脉冲数变多，并且 实验平台内部通电线路较多，会产生干扰影响脉冲的正常发送与接收从而导致伺 服驱动器显示的脉冲量在增加。最后，检测 PLC 程序是否所发出的频率超过最高 频率限制。根据以上分析，得出误差原因：伺服干扰。因此针对所产生的误差，提出修改意见。在实验平台上在 PLC 输出到伺服驱 动器的脉冲线采用屏蔽双绞线；避开周围的强电以及继电器的触点电弧等干扰防 止伺服驱动器和 PLC；增加脉冲输出频率减小干扰。6总结与展望本论文的主要目的是通过对伺服控制系统和 PLC 的研究，设计出能够通过 PLC 控制伺服电机进行正反转、速度、位置控制，并结合 PID 算法与定位模块进 行精确控制的系统。研究成果如下： 1.结合文献综述，阐述了本课题的研究背景和国内外的发展状况，指出本论文的 主要研究内容。 2.分析了交直流伺服电机的工作原理、闭环特性及进行数学模型的推导。并分析 了伺服控制器的选型。3.确定了 PLC 系统的控制原理，选型及控制方式。4.设计了整体方案，PLC 伺服控制系统实现了精确控制速度及位置，进行了程序 编写、硬件接线。并基于 PLC 伺服控制系统在现代工业领域内的运用，具体体现 在 PLC 伺服控制系统应用于工作台的速度及位置控制。 5.以速度控制系统为基础，结合 PID 算法，设计了 PID 控制在 PLC 程序中的体现， 并通过比较得出 PID 算法可是系统稳态误差趋近于零，
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