基于工控机的伺服控制系统设计

大学 本科生毕业设计 论文 学院 系 专 业 学 生 指导教师 完成日期 2013 年 月 大学科生毕业设计 论文 基于工控机的伺服控制系统的设计与实现 Design and Implementation of Servo Control System Based on Industrial Personal Computer 总 计 30 页 表 格 9 个 插 图 34 幅 大大 学学 本本 科科 毕毕 业业 设设 计 论文 计 论文 基于工控机的伺服控制系统的设计与实现 Design and Implementation of Servo Control System Based on Industrial Personal Computer 学 院 系 专 业 学 生 姓 名 学 号 指 导 教 师 职称 评 阅 教 师 完 成 日 期 基于工控机的伺服控制系统的设计与实现 I 基于工控机的伺服控制系统的设计与实现 自动化专业 摘 要 本设计主要是以工控机作为上位机实现系统的监控 台达 PLC 作 为现场控制器 伺服控制器作为执行器 PLC 通过发送脉冲来实现交流伺服电 机的正反转 点位控制和直线插补运动 其中工控机和台达 PLC 是以 RS232 串 口和 ASCII 协议的通讯方式控制 ECMA C30602ES 伺服电机 力控软件和伺服 驱动器以 MODBUS 协议通讯方式对电机运动状态进行实时监控 使用 ASDA soft 软件 以 ASCII 通信协议 完成了伺服驱动器的速度与定位测试 通过上 位机监控程序的设计和 PLC 的编程 实现了伺服电机的速度控制与点位控制 经调试 运行情况满足系统性能要求 关键词 工控机 伺服驱动器 伺服电机 可编程控制器 Design and Implementation of Servo Control System Based on Industrial Personal Computer Automation Specialty Abstract This design is mainly to industrial control computer as the monitoring host computer system Delta PLC as field controller servo controller as the actuator PLC by sending a pulse to achieve positive AC servo motor position control and linear interpolation The industrial control computer and delta PLC is based on RS232 serial port and ASCII protocol communication control ECMA C30602ES servo motor the force control software and servo drive based on MODBUS protocol communication mode of motor state monitor The use of ASDA soft software the ASCII communication protocol completed the test speed and position servo drive through the design of PLC monitoring procedure programming to achieve speed control and servo motor control debugging operation to meet the system performance requirements Key words Industrial personal computer servo driver servo motor programmable logic controller 基于工控机的伺服控制系统的设计与实现 II 目 录 1 引言 1 1 1 研究背景及意义 1 1 2 设计目的 1 2 设备选型 1 2 1 台达伺服驱动器 1 2 1 1 伺服驱动器基本硬件配置方法 3 2 1 2 驱动器信号端口的说明 4 2 2 台达伺服电机 5 2 3 台达可编程控制器 7 2 3 1 DVP 40EH 系列 PLC 的认识 7 2 3 2 PLC 的铭牌说明 8 2 3 3 PLC 的型号说明 8 2 3 4 DVP 40EH 系列 PLC 面板介绍 8 2 3 5 PLC 功能规格 9 2 3 6 WPLSOFT 软件 11 3 伺服驱动器的调试 11 3 1 空载的速度测试 13 3 2 空载的定位测试 14 4 硬件平台的设计 16 4 1 计算机与 PLC 的通讯 16 4 2 PLC 与伺服驱动器的通讯 17 4 2 1 PLC 与伺服驱动器的配线 17 4 2 2 伺服驱动器的参数设置 18 4 3 系统的建立 18 5 PLC 控制程序的设计 19 5 1 应用指令的功能简介 19 5 2 PLC 元件说明 21 5 3 加减速程序设计 21 5 4 正反转程序设计 23 5 5 定位程序设计 24 6 监控软件设计 25 6 1 力控与台达 PLC 通讯设置 25 6 2 力控数据库的组态 26 6 3 力控监控画面的设计 27 基于工控机的伺服控制系统的设计与实现 III 6 3 1 速度显示曲线 27 6 3 2 定位监控画面 28 7 实验结果与分析 29 结束语 30 参考文献 31 附录一 数字输入 DI 功能定义表 32 附录二 数字输出 DO 功能定义表 35 附录三 程序 36 致谢 38 基于工控机的伺服控制系统的设计与实现 1 1 引言 1 1 研究背景及意义 伺服控制技术是自动化学科与生产部门联系最紧密 服务最广泛的一个分 支 近年来 伺服系统在高科技领域的应用越来越广泛 如激光加工 机器人 数控机床 大规模集成电路的制造 办公自动化设备 雷达和各种军用武器随 动系统 以及柔性制造系统 FMS FlexibleManufacturingSystem 等 不光设计 到微电子行业 机械制造行业 通信行业 军事行业还有冶金行业 航天工业 运输行业以及家庭生活各个方面 而且必将发展应用到更新的领域 计算机控制技术是一个包括自动控制技术 计算机技术 网络与通信技术 检测与传感技术 显示技术 电子技术的多学科交叉的综合控制技术 其各个 技术的发展与进步必然会给计算机控制技术带来巨大的变革 其次实际的工业 需求也是决定计算机控制技术发展趋势的主要因素 随着自动化的快速发展 计算机在工业中也得到了广泛的应用 在计算机 的帮助下对自动控制系统进行实时监控 本次设计主要是借助计算机对伺服电 机进行有效的控制达到设计要求 1 1 2 设计目的 为了让交流伺服电机的用途更加广泛 本次设计用台达 PLC 编程 计算机 来监控使电机按照预定的轨迹 预定的速度 设定的位置做相应的运动 从而 实现自动和远程操控 通过用计算机来控制伺服电机 不仅能检测运动状态还可以进行控制 即 直观又方便 实现交流伺服电机的有效控制 可以在很多的领域的到广泛的应 用 为以后的学习和应用者提供很大的帮助 通过本次设计也使我学到了很多书本上没有的知识 并且对计算机控制和 伺服控制技术有了进一步的了解 为以后的学习打下了坚实的基础 对伺服驱 动器 可编程控制器 计算机控制技术有了系统的了解 2 设备选型 2 1 台达伺服驱动器 伺服驱动器是用来控制伺服电机的一种控制器 其作用类似于变频器作用 于普通交流马达 属于伺服系统的一部分 而台达伺服驱动器是台达公司研发 的 只能用于控制台达伺服电机的一款伺服驱动器 其作用类似于用台达变频 基于工控机的伺服控制系统的设计与实现 2 器去控制三项异步交流电机 台达伺服驱动器产品的控制回路均采用高速数字 信号处理器 配合增益自动调整 指令平滑功能的设计及软件分析与监控 可 达到高速位移 精确定位等运动控制需求 台达公司有 ASDA A ASDA B ASDA AB ASDA A2 ASDA B2 等系列的驱动器 每个型号的驱动器的 功能都不同并且使用方向也有所不同 根据本次设计的要求 本次设计选用 ASDA AB 型号的驱动器 7 以下是它的详细介绍 它的铭牌说明如图 1 所示 序号说明如图 2 所示 型号说明如图 3 所示 产品型号 输入电源规格 输出电源规格 功率规格 条码及生产管制序号 固定版本 图 1 驱动器铭牌说明 A0721 AB 0 T 7 08 0021 制造序号 生产周次 生产年份 7 2007年 制造工厂 T 桃园 厂 W 吴江厂 台达标准品 生产机种 图 2 驱动器序号说明 A S D A 0 4 2 1 A B 专用机 B 支持ECMA电机机种 编码器分辨率 A 2500ppr 输入电压及相数 21 220V单相 23 220V三相 额定输出功率 01 100W 10 1KW 02 200W 15 1 5KW 04 400W 20 2KW 07 750W 产品系列 A A系列 产品名称 ASD AC Servo Drive 图 3 驱动器的型号说明 台达 ASDA AB 伺服驱动器内置 Pt 位置控制模式 命令由端子输入 Pr 基于工控机的伺服控制系统的设计与实现 3 位置控制模式 命令由内部寄存器输入 S 速度控制模式 端子 内部寄存器 T 扭矩控制模式 端子 内部寄存器 Sz 零速度 内部速度寄存器命令 Tz 零扭 矩 内部扭矩寄存器命令六种模式 可以通过伺服驱动器参数 P1 01 的设置 来选择模式 本次设计中主要用到的是伺服驱动器的位置脉冲 Pt 模式 它 是通过脉冲的频率决定电机的转速 脉冲的个数决定电机转动的圈数 其对速 度和位置都有严格的控制 一般用于定位控制 PLC 根据控制要求发出一定频 率和个数的脉冲实现位置的精确定位 伺服驱动器在位置脉冲模式下脉冲接受 形式如图 4 所示 三种脉冲形式最方便的是脉冲和方向控制 这也是本次设计 中采用的方法 正负脉冲的形式也相对简单 伺服的一个脉冲口为正方向的脉 冲输入口 另一个就为负方向控制口 采用 AB 相脉冲的话 可以直接和编码 器进行连接 因为编码器发出的 AB 相脉冲 这样可以减少 PLC 这一环节 在 实际设计中减少了设备的成本 图 4 脉冲信号形式 2 1 1 伺服驱动器基本硬件配置方法 伺服驱动器上主要有主回路电源接口 输出电源接口 信号接口 CN1 电机编码器接口 CN2 以及通讯接口 CN3 等 驱动器的各部分名称及说 明如图 5 所示 驱动器使用时需注意以下问题 1 检查 R S T 与 L1 L2 的电源和接线是否正确 2 确认伺服电机输出 U V W 端子相序接线是否正确 接错电机可能 不转或乱转 3 使用外部回生电阻 需要 P D 端开始 外部回生电阻应接于 P C 端 若使用内部电阻时 则需将 P D 端短路且 P C 端开路 4 异警或紧急停止时 利用 ALARM 或是 WARN 输出将电磁接触器 MC 断电 以切断伺服驱动器电源 5 在 110V 机种 已将三相电源表示法 R 改为 L1M S 改为 L2M 成为单 相入电 其原先 T 相入电位置已无任何作用 无回路 基于工控机的伺服控制系统的设计与实现 4 图 5 驱动器各部分名称及说明 2 1 2 驱动器信号端口的说明 驱动器主要有有 CN1 CN2 CN3 三个信号接口 7 以下是详细介绍 1 驱动器的 CN1 端口主要是和上位控制器 台达可编程控制器 链接 通过脉冲来控制电机的转动 为了能更好的与上位控制器通信 CN1 端口提供了 5 组输出和 8 组输入 控制器提供的八个输入设定与五个输出分别为参数 P2 10 到 P2 22 CN1 的脉冲指令可以使用开集极方式或差动 Line driver 方式输入 差动 Line driver 输入方式的最大输入脉冲为 500kpps 开集极方式的最大输入 脉冲为 200kpps 本次设计主要采用的是内部电源 集极开路 CN1 具体接线 端子和集极开路如图 6 所示 图 6 CN1 接线端子和集极开路 基于工控机的伺服控制系统的设计与实现 5 2 驱动器 CN2 是编码器信号接线端口 ECMA 系列的电机内附一个 2500pprA B Z U V W 的编码器 从电源启动时 U V W U V W 信号即在 0 5 秒内以六条线告知驱动器 再下来同样六条线转换成 A B Z A B Z 信号 2500pprA B 信号进入驱动器后即成为 10000ppr 再加电源 Vcc 2 条 和地 GND 2 条 编码器连线共有 10 条 CN2 连接器的接线端外型如图 7 所示 图 7 CN2 接线端 3 CN3 是驱动器的通讯口 驱动器通过通讯端口与电脑相连 还可以 通过 MODBUS 协议与台达公司提供的专用软件 ASDA SOFT 通信 驱动器提 供了 RS 232 RS 485 RS 422 三种通信方式 可以通过参数 P3 05 设定 本次设计主要是力控软件通过 RS 232 串口与驱动器通讯从而把电机的运动状态 反馈出来 CN3 的具体接线端如图 8 所示 图 8 CN3 接线端 2 2 台达伺服电机 本次设计主要用的是与伺服驱动器配套的 ECMA C30604ES 系列交流伺服 电机 它有定子和转子两部分组成 内部的转子是永磁铁 驱动器控制的 U V W 三相电形成电磁场 转子在此磁场的作用下转动 同时电机自带的编码 器反馈信号给驱动器 驱动器根据反馈值与目标值进行比较 调整转子转动的 角度 它的主要技术参数有额定功率 0 4KW 额定电压 110V 额定电流 26A 具体铭牌如图 9 所示 序号说明如图 10 所示 型号说明如图 11 所示 基于工控机的伺服控制系统的设计与实现 6 产品型号 输入电源规格 输出电源规格 条码 生产管制序号 图 9 伺服电机的铭牌 C30604ES 0 T 7 03 0031 制造序号 生产周次 生产年份 7 2007年 制造工厂 T 桃园 厂 W 吴江厂 台达标准品 生产机种 图 10 伺服电机的序号说明 E C M A C 3 0 6 0 4 E S 标准轴径规格 S 特殊轴径规格 1 11mm 7 14mm 6 16mm 8 28mm 5 35mm 3 42mm 9 19mm 2 22mm 4 24mm 轴径 型式 无刹车 无油封 有刹车 有油封 无刹车 有油封 有刹车 有油封 圆轴 键槽 键槽 ABCD EFGH PQRS 额定输出功率 01 100W 05 500W 10 1KW 02 200W 06 600W 15 1 5KW 03 300W 07 750W 20 2KW 04 400W 09 900W 电机框架尺寸 04 40mm 08 80mm 13 130mm 06 60mm 10 100mm 18 180mm 产品名称 ECM 电子换相式电机 驱动型态 A 交流伺服 系列名称 额定电压及转速 C 220V 3000rpm E 220V 2000rpm G 220V 1000rpm 感测形式 3 2500ppr 图 11 伺服电机的型号说明 编码器用于测量速度 位置 速度或角度等物理量 它是把机械位移量转 变成电信号的传感器 分为增量型和绝对值两种 增量型编码器产生脉冲信号 利用脉冲数可测量速度 长度或位置 对于绝对性编码器 每一个位置对于一 个位移的数字量数值 编码器内部有一个转动的圆盘 码盘 带有若干个透明 和不透明的窗口 用光电接收器收集断续的光束 这样 就把光脉冲转换成了 电脉冲 然后由电子输出线路进行处理并输出 本次设计用的是增量式编码器 它是直接利用光电转换原理输出三组方波 脉冲 A B 和 Z 相 A B 两组脉冲相位差 90 度 从而可方便地判断出旋转方 向 A 相为脉冲检测的个数 B 相和 A 相配合使用可检测出转动的方向 而 Z 基于工控机的伺服控制系统的设计与实现 7 相为每转一圈输出一个脉冲 该脉冲称为 Z 相零位脉冲 用于基准点定位 所 以对于本次设计 只需用将 A B 相与 PLC 的 XO X1 输入端相接即可 它的 工作原理是在一个码盘的边缘上开有相等角度的缝隙 分为透明和不透明部分 在开缝码盘两边分别安装光源及光敏元件 当码盘随工作轴一起转动时 每转 过一个缝隙就产生一次光线的明暗变化 再经整形放大 可以得到一定幅值和 功率的电脉冲输出信号 脉冲数就等于转过的缝隙数 将该脉冲信号送到计数 器中去进行计数 从测得的数码数就能知道码盘转过的角度 3 2 3 台达可编程控制器 台达 DVP 系列 PLC 有 ES EP 及 EH 三种主机机型 ES 为一般泛用之主 机 EP 为功能提升型之主机 而 EH 则为高功能高速型主机 三者之间部分的 软 硬功能规格方面有其个别定义 在机构上 ES EX 归类相同 均是固定端子 台形式 除 DVP60ES00R T 除外 而使用相同 CPU 的 SS 机种为超薄型小型 控制器 最适合应用于因配电盘空间不足而要求内置元件需小型化的使用场合 EP 及 EH 机种的体积比 ES EX 更小巧化 但功能却比之强大许多 如果要求快 速即时 EP 及 EH 是绝佳的选择 在指令功能方面 ES 所提供的功能足以完成 大部分的顺序控制目的 EP 及 EH 更加强了在数值验算 复杂的 PID 控制及更 便利的通讯机 NC 伺服定位等能力 所以 DVP 系列 PLC 可以完成几乎所有的 自动控制 而 EH 系列 PLC 不但体积小而且速度快 功能也非常强大 丰富的 模块广泛适用于各种行业的检测监控和自动控制以及定位控制等功能 完全能 达到本次设计的要求 所以这次设计用的是 DVP 40EH 系列的 PLC 8 2 3 1 DVP 40EH 系列 PLC 的认识 台达 DVP 40EHOOTS 系列为高速精密定位主机 主机点数 40 最大 I O 点数 512 点 程序容量 16KSteps 指令执行速度 0 24 S 基本指令 通 讯端口 内置 RS 232 与 RS 485 兼容 MODBUSASCII RTU 通讯协议 数 据存储器 10000 字符 档案存储器 10000 字符 高速脉冲输出 20 与 32 点 数机种支持 2 点 200kHz YO Y2 40 点数机种支持 2 组 AB 相 200kHz 脉冲输出 Y0 Y1 Y2 Y3 与 2 点 200kHz 脉冲输出 Y4 Y6 内置四组硬件高 速计数器 PLC 对编码器的采集 编码器为增量型 其输出为 A B Z 三相 Z 相为 零脉冲检测线 主要用于电机转动圈数的计算 A 相为脉冲检测的个数 B 相 和 A 相配合使用可检测出转动的方向 所以对于设计要求的异步电机的跟踪 只需用到 A B 相将其接于 PLC 的 XO X1 输入口 伺服电机转速与方向控制 采用的是正逻辑的脉冲加方向控制 PLC 输出 口采用的是一组高速脉冲输出口 CHO X0 X1 X0 作为脉冲输入口 X1 作为 基于工控机的伺服控制系统的设计与实现 8 方向控制 低电平为正转 高电平为反转 2 3 2 PLC 的铭牌说明 每一个产品上都会有该产品的铭牌 它是向使用者提供该产品的主要性能 指标 以便使用者更好的使用该产品 DVP 40EH 系列 PLC 其机种型号在 PLC 的机体的左侧 如图 12 所示 台达PLC产品型号 输入电源规格 输出点模组规格 管制条码及序号 程式版本 图 12 PLC 铭牌说明 2 3 3 PLC 的型号说明 一般的 PLC 都会分很多种不同的系列不同的型号供大家选择 每个系列可 以有很多的型号 不同的型号会有不同的功能 不同的编程方法 只有了解了 PLC 的系列型号才能为下一步的编程做准备 才能更好的使用 具体型号说明 如图 13 所示 系列名称 点数 输入 输出 主机 扩充机区分 E 主机 H 扩充机 R 继电器 T 电晶体 I 高速输出晶体 N 无输出模组 00 交流 电源 输入 HTRPE 11 直流 电源 输入 HTRPE 01 直流 电源 输入 LTRPE 机型区分 H 高功能型主机 P 输入 输出点扩充机 N 输出点扩充机 M 输入点扩充机 DVP 图 13 EH 系列 PLC 的型号说明 2 3 4 DVP 40EH 系列 PLC 面板介绍 DVP 40EH 系列 PLC 外形有 22 个输入端 14 个输出端 一个开关 一个 RS232 串口 设计者可以直接通过串口下载程序 其中输入端的 S S 表示为共 享电源端 当与 24V 相接是它是电流输入端 当与 24VG 相接时它是电流输出 端 在输出端上的 C0 C5 是对应输出的公共端 两个输出公用一个公共端 面板上的输入输出指示灯可以方便使用者直观的观察 PLC 的输入输出状态 还 基于工控机的伺服控制系统的设计与实现 9 有一个扩充插槽可以同时再连接一个 PLC 起扩展功能的作用 面板具体显示 如图 14 所示 对应的介绍如表 1 所示 图 14 PLC 外形图 表 1 PLC 外形介绍 135mmDIN 铝轨9输出点配线端子 2周边装置插槽盖10输出点指示灯 3输入点配线端子台11安装固定孔 4功能扩充槽盖13扩充机连接线 5LED 状态指示灯14类比按钮 POWER电源指示灯15电池置放室 RUN运转中指示灯16RUN STOP 开关 ERROR异常指示灯17RS232 通讯端口 BAT LOW电池电力不足指示灯18电池连线插座 6输入点指示灯19功能扩充卡固定孔 7扩充槽盖20功能扩充卡插槽 84DIN 铝轨固定扣21记忆卡插槽 2 3 5 PLC 功能规格 DVP 40EH 系列 PLC 主要有输入输出 步进继电器 辅助继电器 计时器 计数器 暂存器等功能 每种寄存器都有不同的功能 还有一些特殊寄存器我 们可以在软件中查询到 了解这些功能对本次设计有很大的帮助 具体功能介 绍如表 2 所示 功能使用需注意以下几个问题 1 非停电保持区域 不可变更 2 非停电保持区域 可使用参数设定变更成停电保持区域 3 停电保持区域 可使用参数设定变更成非停电保持区域 4 停电保持固定区域 不可变更 基于工控机的伺服控制系统的设计与实现 10 表 2 PLC 主机功能介绍 项目规格备注 演算控制方式内存程式 往返式来回扫描方式 可单步执行 输入 输出控制方式结束再生方式 执行 END 命令 输入 输出刷新命令 外部输入 X X0 X377 256 点8 进制编码 外部输出 Y Y0 Y3177 256 点8 进制编码 初始步进点S0 S9 10 点 原点回归用S10 S19 10 点 一般用S20 S512 492 点 停电保持用S512 S895 384 点 步进 继电 器 警报用S896 S1023 128 点 合计 1024 点 一般用M0 M511 512 点 停电保持用M512 M999 M2000 M4095 2584 点 辅助 继电 器特殊用M1000 M1999 1000 点 合计 4096 点 100ms 一般用T0 T199 200 点 100ms 停电保持T250 T255 6 点 10ms 一般用T200 T239 40 点 10ms 停电保持T240 T245 6 点 计时 器 1ms 停电保持T246 T249 4 点 合计 256 点 16 位元上数C96 C199 104 点 32 位元上下数C200 C215 16 点 32 为元上下数 停电保持用 C216 C234 19 点 32 为元上下数 停电保持 1 相 1 C235 C242 C244 9 点 32 为元上下数 停电保持 1 相 2 C246 C247 C249 3 点 计数 器 32 为元上下数 停电保持 2 相 2 C251 C252 C254 3 点 合计 250 点 一般用D0 D199 200 点 停电保持用D200 D999 D2000 D4999 3800 点 特殊用D1000 D1999 1000 点 间接指定用E0 E3 F0 F3 8 点 合计 5000 点 资料 暂存 器 档案暂存器K0 K1599合计 1600 点 基于工控机的伺服控制系统的设计与实现 11 2 3 6 WPLSOFT 软件 WPLSoft 为台达电子 可编程序控制器 DVP 系列在 WINDOWS 操作系统环 境下所使用的程序编程软件 WPLSoft 除了一般 PLC 的功能 例如 剪切 粘 贴 复制 注释等 外 还提供多种中 英文批注编辑及一些便利功能 例如 寄存器编辑 设定 文件读取 存盘等 这个软件的帮助功能非常强大 当我 们在编程的情况下遇见陌生的命令或者是不知道特殊寄存器的用法时都可以在 帮助中查找 具体安装要求如表 3 所示 表 3 WPLSOFT 软件安装要求 项目系统要求 操作系统Windows 98 2000 NT ME XP VISTA CPUPentium 100 以上机种 内存128MB 以上 建议使用 256MB 磁盘驱动器硬盘容量至少 500MB 以上空间 显示器分辨率 640 x480 16 色以上 鼠标一般用鼠标或 Windows 兼容的装置 RS 232 串口至少需要一个 RS 232 端口可与 PLC 链接 适用 PLC 机种台达 DVP PLC 系列 3 伺服驱动器的调试 伺服驱动器的调试主要是使用伺服器专用软件 ASDA soft 软件来调试的 此软件通过 RS232 串口线和伺服驱动器的 CN3 通讯端口通讯 可以在此软件 中通过设置不同的参数来改变电机的不同模式 不同速度 进行调试 打开软 件首先找到通讯设定 如图 15 所示 选择好自己所用的装置和端口 然后选择 在线模式 选择好后点击开始自动检测 几秒后就会检测到驱动器的站号和传 输率及协定 只需要按照检测的站号 传输率和协定在伺服驱动器上设置对应 的参数 P3 xx 通讯参数 最后写入伺服驱动器就行了 然后打开寸动控制和 参数编辑器 伺服驱动器的参数分监控参数 P0 xx 基本参数 P1 xx 扩展参数 P2 xx 通讯参数 P3 xx 和诊断参数 P4 xx 通过改变不同的参数可以改变不同的模式 其中通讯参数是一定的 P3 00 站号 设置为 1 P3 01 通讯传输率 设置为 1 P3 02 通讯协议 设置为 4 P3 05 通讯功能 设置为 0 参数设置界面 如图 16 所示 按要求设置完参数后 打开寸动控制面板如图 17 所示 面板上 显示有数字输入口和数字输出口 这些功能都是通过驱动器参数设置的 具体 设置及功能显示见附录一和附录二所示 在数位输入状态的相互配合下 完成 不同的运动状态 当伺服驱动器为速度模式时把 P0 02 设置为 6 为速度显示 基于工控机的伺服控制系统的设计与实现 12 当伺服驱动器为位置模式时将 P0 02 设置为 1 为电机反馈旋转圈数 这样驱 动器就会显示当前电机的运动状态 图 15 ASDA Soft 通讯设置 基于工控机的伺服控制系统的设计与实现 13 图 16 参数编辑器 图 17 寸动控制器 3 1 空载的速度测试 在测试之前首先要了解各操作模式下 DI 与 DO 的功能 具体设置参照表 1 主要是测试电机在速度模式下的运动状态 首先通过参数 P1 01 将驱 动器的控制模式设定为速度模式 更改后需要重新开机才会生效 切记要把 P2 51 设定为 0 伺服启动须由内部 DI 触发 2 速度控制模式下 所需设定数字输入 DI 如表 4 所示 表 4 数字输入 DI 表 数字输入参数设定值符号功能定义说明CN1 Pin No DI1P2 10 101SON伺服启动 DI1 9 DI2P2 11 109TRQLM扭矩限制 DI1 10 DI3P2 12 114SPD0速度命令选择 0 DI1 34 DI4P2 13 115SPD1速度命令选择 1 DI1 8 DI5P2 14 102ARST异常复位 DI1 33 DI6P2 15 0Disabled此 DI 功能无效 DI7P2 16 0Disabled此 DI 功能无效 DI8P2 17 0Disabled此 DI 功能无效 必须将逆向运转禁止极限 DI6 与正向运转极限 DI7 及紧急停止 DI8 的功能取消 否则伺服驱动器会出现报警 因此将参数 P2 15 17 设为 基于工控机的伺服控制系统的设计与实现 14 0 Disabled 速度命令选择可以根据 SPD0 SPD1 来选择 如表 5 所示 表 5 速度命令选择 CN1 的 DI 信号速度命 令编号 SPD1SPD0 命令来源内容范围 S100 外部模拟命 令 V REF GND 之间 电压差 10V S201P1 090 5000r min S310P1 100 5001r min S411 内部寄存器 参数 P1 110 5002r min 0 表示开关状态为开路 OFF 1 表示开关状态为导通 ON 速度内部寄存器的命令设定 参数 P1 09 11 为内部速度指令 可以根据 自己的需要进行速度设定 但是不能超过 P1 55 里的最大速度 这里设定参数 P1 09 为 3000 P1 10 为 100 P1 11 为 3000 操作步骤 1 使用者将数字输入 DI1 导通 伺服启动 Servo on 2 数字输入 DI3 SPD0 与 DI4 SPD1 速度命令开关开路 代表 S1 命令 此时电机根据模拟电压命令运转 3 只导通数字输入 DI3 SPD0 代表 S2 命令 3000r min 被承认 此 时 电机转速为 3000r min 4 只导通数字输入 DI4 SPD1 代表 S2 命令 100r min 被承认 此时 电机转速为 100r min 5 同时导通数字输入 DI3 SPD0 和 DI4 SPD1 代表 S4 命令 3000r min 被承认 此时电机转速为 3000r min 6 可任意重复 3 4 5 7 欲停止时 数字输入 DI1 开路即可 Servo OFF 3 2 空载的定位测试 首先将驱动器的控制模式设定为位置内部寄存器模式 即将 P2 51 设定为 0 伺服启动须由内部 DI 触发 然后将参数 P1 01 控制模式设定为 1 即为位 置内部寄存器模式 需重启才生效 而定位有分相对和绝对定位 他们是通过 参数 P1 33 来设置的 0 绝对式位置模式 1 相对式位置模式 7 位置内部寄存器模式下 所需试运转设定数字的 DI 设定如表 6 所示 基于工控机的伺服控制系统的设计与实现 15 表 6 数字输入 DI 数字输入参数设定值符号功能定义说明CN1 Pin No DI1P2 10 101SON伺服启动DI1 9 DI2P2 11 108CTRG内部命令触发DI1 10 DI3P2 12 111POS0 内部位置 命令选择 0 DI1 34 DI4P2 13 112POS1 内部位置 命令选择 1 DI1 8 DI5P2 14 113ARST 内部位置 命令选择 3 DI1 33 DI6P2 15 0Disabled此 DI 功能无效 DI7P2 16 0Disabled此 DI 功能无效 DI8P2 17 0Disabled此 DI 功能无效 必须将逆向运转禁止极限 DI6 与正向运转极限 DI7 及紧急停止 DI8 的功能取消 否则伺服驱动器会出现报警 因此将参数 P2 15 17 设为 0 Disabled 位置模式内部八组寄存器命令与 POS0 POS2 及其相关参数调整的关系如 表 7 所示 通过这八组寄存器的相互配合可以得到八种位置命令 这些命令都 是靠内部位置命令触发来启动电机的 表 7 位置命令选择 位置命令 PO S2 PO S1 PO S0 CT RG 对应 参数 移动速度 寄存器 说明 P1 15圈数 30000 内位置 1000 P1 16 P2 36 V1 脉冲 max cnt P1 17圈数 30001 内位置 2001 P1 18 P2 36 V2 脉冲 max cnt P1 19圈数 30002 内位置 3010 P1 20 P2 36 V3 脉冲 max cnt P1 21圈数 30003 内位置 4011 P1 22 P2 36 V4 脉冲 max cnt 内位置 5100 P1 23P2 圈数 30004 基于工控机的伺服控制系统的设计与实现 16 P1 2436 V5 脉冲 max cnt P1 25圈数 30005 内位置 6101 P1 26 P2 36 V6 脉冲 max cnt P1 27圈数 30006 内位置 7110 P1 28 P2 36 V7 脉冲 max cnt P1 29圈数 30007 内位置 8111 P1 30 P2 36 V8 脉冲 max cnt 0 表示开关状态为开路 OFF 1 表示开关状态为导通 ON 使用者可以设定这八组命令寄存器值 P1 15 P1 30 而且内部寄存器命 令值得定义 可以命令设定为绝对位置指令 将参数 P1 33 内部位置指令控制 模式设为 0 若命令设定为相对位置指令 将参数 P1 33 内部位置指令控制模 式设定为 1 更改后须重新开机才生效 使用者将数字输入 DI1 伺服启动导通 可以任意以不同的 DI3 POS0 DI4 POS1 DI5 POS2 组合成不同的位置命令 然后将数字输入 DI2 命令 触发 CTRG 瞬间导通 触发信号 电机就会以相应的内部位置命令对应的移动 速度进行定位 4 硬件平台的设计 本次设计主要用到计算机 台达伺服驱动器 台达伺服电机 台达可编程 控制器四个硬件设备 主要设计方法是用计算机监控编码器反馈到伺服驱动器 的信号 用台达可编程控制器作为控制器以发送脉冲的方式来控制伺服驱动器 从而控制伺服电机 达到设计的要求 具体原理如图 18 所示 基于工控机的伺服控制系统的设计与实现 17 计算机 台达 PLC 伺服驱 动器 伺服 电机 编码器 图 18 硬件原理图 4 1 计算机与 PLC 的通讯 主要是通过 RS 232 串口通讯 可以通过串口线给 PLC 进行程序的下载 通讯时需要设置传输方式 通讯端口 数据长度 奇偶校验位 波特率 特别 注意通讯站好的设置 通讯站好就是 PLC 的地址 只有地址正确才能通讯成功 所以在通讯设置之前 必须用台达伺服驱动器专用软件 ASDA soft 或者是通过 程序的方式找到 PLC 的地址 具体设置如图 19 所示 图 19 PLC 的通讯设置 基于工控机的伺服控制系统的设计与实现 18 4 2 PLC 与伺服驱动器的通讯 4 2 1 PLC 与伺服驱动器的配线 ASDA AB 系列与 PLC 连线包括回归原点 寸动 加减速时间设定 相对 位置定位 绝对位置定位 监控脉冲数 本次毕业设计最终是要完成伺服电机 的自动正反转 加减速和绝对定位 由 PLC 输出高速脉冲控制伺服驱动器达到 定位 结合伺服驱动器的标准接线方式 最终确定 PLC 与伺服驱动器的接线如 图 20 所示 C C0 0 Y Y1 1 Y Y0 0 AC220V 伺服驱动器 DVP 40EH PLC COM VDD PULLHI PULSE COM SIGN CN1 AC220V CYY TT TT 图 20 驱动器与 PLC 的接线 4 2 2 伺服驱动器的参数设置 本次设计使用的是位置模式 参数的正确设置是做设计的前提 具体操作 步骤是伺服驱动器上电后首先按 MODE 键进入设置界面 然后在按 Shift 键进 行不同参数的切换 一直切换到自己需要设置的参数 按下 SET 键进入设定值 界面 再按 UP 或 DOWN 键来调整设定值 设置完毕后再按下 SET 键 此时 界面会显示 END 说明设置成功 显示其它标志则需要重新上电参数才生效 具 体设置及说明如表 7 所示 表 7 驱动器参数设置 参数设定值参数说明功能 P0 026驱动器状态显示电机转速显示 P0 046状态寄存器 1读取转速 P1 011控制模式设定Pt 位置模式 P1 310电机机种设定ECMA 系列电机 P1 321电机停止模式减速停止 P1 4410电子齿轮比分子分子为 10 P1 451电子齿轮比分母分母为 1 基于工控机的伺服控制系统的设计与实现 19 P1 553000最大速度限制最大速度为 3000 P2 150数字输入接脚 DI6关闭数字输入接脚 DI6 P2 160数字输入接脚 DI7关闭数字输入接脚 DI7 P2 170数字输入接脚 DI8关闭数字输入接脚 DI8 P2 10101数字输入接脚 DI1伺服启动 P2 510内部伺服启动伺服启动须有 DI 触发 P3 001站号设定 地址 驱动器地址为 1 P3 011通讯传输率传输率为 9600 P3 024通讯协议协议为 8 E 1 Modbus ASCII P3 050通讯功能通讯口为 RS232 串口通讯 4 3 系统的建立 伺服驱动器标准接线有位置 Pt 模式 位置 Pr 模式 速度 S 模式 扭矩 T 模式 通过改变驱动器的参数可以使伺服电机在不同的模式下接受 相应的命令 以完成精确的定速 定位 位置控制模式一般是通过外部输入的脉冲的频率来确定转动速度的大小 通过脉冲的个数来确定转动的角度 也有些伺服可以通过通讯方式直接对速度 和位移进行赋值 由于位置模式可以对速度和位置都有很严格的控制 所以本 次设计用位置模式控制 位置模式标准接线如图 21 所示 图中主要显示伺服驱 动器与伺服电机的电源端口接线 编码器与驱动器的接线 驱动器与计算机的 接线以及驱动器与 PLC 的接线还有驱动器的内部接线 具体的 CN1 CN2 端 口介绍见 2 1 2 节 5 56 6 5 55 5 5 53 3 2 20 0 2 22 2 2 21 1 5 59 9 5 54 4 C0 Y0 Y1 DVP 40EHPLC 4 4 3 3 6 60 0 3 3s sx x 24V 6 60 0 5 59 9 5 57 7 5 52 2 5 50 0 5 56 6 5 58 8 4 42 2 4 41 1 4 40 0 3 37 7 3 36 6 2 2s sx x 24V COM DO1 DO1 DO2 DO2 COM SIGN PULSE PULLHI 伺服驱动器 VDD CN1 CN2 M 伺伺服服电电机机 G G UWV 注注 2 2S SX X 中中间间层层端端子子排排 3 3S SX X 顶顶层层端端子子排排 RS 232 计算 机 COM1 图 21 系统接线 基于工控机的伺服控制系统的设计与实现 20 5 PLC 控制程序的设计 本次设计主要是达到自动正反转 加减速 相对定位的功能 正反转是通 过 Y0 和 Y1 控制 通过控制 Y0 输出的脉冲来控制速度 Y1 来控制方向 当 Y1 置 1 电机反转 反之正转 而加减速是通过计数器和定时器相配合实现的 把定时器的时间定位 1ms 然后让速度从 0 开始每隔 1ms 增加一个固定的值 这 样在配合计数器 让它加 减 到一定的次数这样就可以实现加减速了 自动 正反转是通过定时器实现的 相对定位是通过 DDRVI 命令实现的 也是通过 发送脉冲实现的 直接用正脉冲和反脉冲来控制方向 5 1 应用指令的功能简介 通过对台达 PLC 指令的学习对设计者的编程有一定的帮助 下面介绍本次 设计中用到的指令 9 1 除法指令 DDIVS1S2D S1 浮点数被除数 S2 浮点数除数 D 运算结果 商 2 乘法指令 DMULS1S2D S1 浮点数被乘数 S2 浮点数乘数 D 运算结果 积 3 比较指令 DCMPS1S2D S1 比较值 1 S2 比较值 2 D 比较结果 4 加法指令 DADDS1S2D S1 浮点数被加数 S2 浮点数加数 D 运算结果 和 5 减法指令 DSUBS1S2D S1 浮点数被减数 S2 浮点数减数 D 运算结果 差 6 脉冲输出 PLSYS1S2D S1 脉冲输出频率 S2 脉冲输出数目 D 脉冲输出装置 请使用输出模 块为晶体管输出 7 计数器 DCNTS1S2 S1 32 位计数器编号 S2 计数器设置值 基于工控机的伺服控制系统的设计与实现 21 指令说明 DCNT 为 32 位计数器 C200 至 C255 的激活指令 一般用加减算计数器 C200 C234 当 DCNT 指令由 Off 到 On 时 计 数器 的现在值将根据特 M1200 1234 的设置模式 执行上数 加一 的动作或下数 减一 的动作 当 DCNT 指令 Off 时该计数器停止计数 但原有计数值不会被清除 可 使用指令 RSTC2xx 清除计数值及其接点 高速加减计数器 C235 C255 可使用 外部指定输入点清除计数值及其接点 8 定时器 TMRS1S2 S1 定时器编号 S2 定时器设定值 9 移动指令 TMRSD S 数据来源 D 数据搬移目的地 10 相对定位 DRVIS1S2D1D2 S1 脉冲输出数目 S2 脉冲输出频率 D1 脉冲输出装置 请使用输出模块为晶体管输出 D2 旋转方向信号的输出装置 注 当 S1 为正脉冲时 D2 输出 当 S1 为负脉冲时 D2 不输出 11 批次复位 ZRSTD1D2 D1 批次复位起始装置 D2 批次复位结束装置 指令说明 指令执行时 D1 操作数编号到 D2 操作数编号的区域里清除 当 D1 操作数编号 D2 操作数编号时 只有 D2 指定操作数被清除 5 2 PLC 元件说明 本次设计中用到的 PLC 软元件有辅助继电器 M 存储器 D 定时器 T 计 数器 C 输出继电器 Y 和状态继电器 S 具体说明如表 8 所示 表 8 元件说明 PLC 软元件说明PLC 软元件说明 M1启动开关D55反转速度输入 基于工控机的伺服控制系统的设计与实现 22 M13反转定位开关D58正转定位速度输入 M14正转定位开关S0限速开关 M1000PLC 运转标志T0正转定时 D13反转圈数输入T1反转定时 D24正转圈数输入T2定时加减速 D26反转定位速度输入T3定时减速 D33反转时间输入C210加速次数 D35额定转速输入C212减速次数 D38正转时间输入Y0脉冲信号输出 D50定位加减速设置Y1方向信号输出 5 3 加减速程序设计 加减速主要是实现电机的定时加减速 这样可以保护电机减小电机的冲击 力 还可以进行加减速曲线控制 具体程序流程图如图 22 所示 加减速程序是利用定时器和计数器来实现的 当程序运行时初速度 D1 在 定时器 T2 的配合下每次隔一秒自动加 10 一直加到计数器 C210 中存放的数 用这种方法来实现加速 寄存器 D38 里存放的是正转时间 ms 当正转时间 到达时 定时器 T0 常开触点就会闭合 当前速度就会在减计数器