运动控制系统技术报告

第六届第六届“三菱电机自动化大赛”运动控制系统技术报告扬州市职业大学机电、电气、汽检代表队2012年08月目录第一章竞赛背景及要求 11.1系统研究背景 11.2运动控制工程竞赛要求 1第二章系统总体方案 3第三章硬件系统技术方案 53.1机械系统设计 53.1.1机械系统结构 53.1.2机械系统元件清单 63.2电气系统设计 63.2.1接近开关选型 63.2.2变频器选型 73.2.3变压器的选择与连接 93.2.4三相电机选型 93.2.5伺服放大器选型 93.2.6伺服电机选型 103.2.7PLC选型 103.2.8人接界面选型 113.2.9系统电路设计与安装 113.2.9电气元件清单 13第四章系统软件技术方案 144.1PLC软件设计 144.1.1程序流程图 144.1.2软元件说明 144.1.3梯形图设计 154.2GOT软件设计 154.2.1软元件分配 154.2.2GOT画面设计和操作 15第五章系统调试 185.1调试一般准那么 185.1.2调试前准备 185.1.3调试前的检查 195.1.4调试的一般顺序 195.2机械系统调试 195.3电气系统调试 20第六章总结 21参考文献 22致谢 23附录 24附录A电器元件清单 24附录B模糊控制表 25附录C软元件表 26附录D梯形图 27第一章竞赛背景及要求1.1系统研究背景加强学生创新意识、合作精神、实践能力培养，是当前高等教育教学改革的重要内容之一。以竞赛为载体，推动大学生的课外科技活动，将对深入开展高等学校教学改革，促进学生根底知识教育与综合能力培养、理论与实践的有机结合等方面起到积极地推动作用。为此，三菱电机自动化〔中国〕与中国各高校合作共同发起，每年开展一次面向高校在校学生〔包括本科生、研究生和高职生〕的科技竞赛活动——“三菱电机自动化杯”大学生自动化大赛，为优秀人才脱颖而出创造条件。2012年“第六届“三菱电机自动化杯”大学生自动化大赛，下设过程控制和运动控制两个工程。1.2运动控制工程竞赛要求本控制方案依据2012年“第六届“三菱电机自动化杯”大学生自动化大赛实施方案的要求命制。用自带设备安装调试由两台伺服电动机及一台变频电机驱动的运动控制系统。1、系统配置：PLC〔含定位模块或运动控制CPU〕、伺服驱动器、触摸屏、伺服电动机〔两台〕、变频器和三相异步电动机。2、系统连接：从工作台的电源板用平安插线引出电源到电源端子排。3、根本控制要求：系统工作时，在工作盘放入磁钢〔工作盘是由交流变频器控制；磁钢大小Φ8〕，当工作盘转动时，XY十字工作台的X轴下部安装的传感器须一直能够对应磁钢〔XY轴随动，传感器保持检测到磁钢而不脱开，如果脱开即告失败〕，从A点开始，即从A磁钢开始，传感器跟随A点磁钢转动一圈后，移动到下一磁钢B点，以此类推…4、发挥局部：工作盘上放有A、B、C三个磁钢〔在不同的半径上〕,由触摸屏设定要跟随的磁钢，工作盘转动过程中变频器的频率在10Hz~35Hz手动调节，XY轴必须一直跟随指定的磁钢。定位系统模型见图1-1。图1-1定位系统示意图第二章系统总体方案根据2012年第六届“三菱电机自动化杯”大学生自动化大赛暨自动化系统应用竞赛运动控制工程示意图和任务书，设计完成了定位、追踪运动控制系统。依据本次大赛过程控制系统任务书所提控制要求，完成该任务需要用到的主要电气设备有：GOT、PLC、变频器、伺服放大器、伺服电机、三相交流电机、限位开关、开关电源其它低压电器设备。运动控制系统框图如图2-1所示。图2-1运动控制系统框图根据大赛组委会运动控制方案要求，设计运动控制方案如下：手动控制手动控制是根据GOT手动控制画面相应操作，控制定位笔在X、Y轴上运动，用于机械结构的调试。自动控制在自动控制模式下，系统启动后定位笔回归原点，原点回归标志接通。用户通过GOT设定变频器的输出频率，PLC通过C-Clink通信模式与变频器通信，将控制信息传送给变频器，变频器按照相应输入控制三相电机的运转。在电机运转的同时，PLC通过伺服控制器控制定位笔在X轴上左右往复运动，寻找磁钢。在寻到磁钢的同时，GOT上的追踪指示灯点亮，伺服控制器控制定位笔追踪小磁钢。追踪控制方案本系统追踪过程中，反应信号为开关信号，因此追踪控制过程运用开环控制。追踪过程中，定位笔运动的速度与变频器驱动转盘的速度无确切的函数关系。因此定位笔的速度有模糊控制表确定，模糊控制表见附录B。第三章硬件系统技术方案3.1机械系统设计机械系统结构运动控制系统的机械结构，主要由多功能工作台面、支架、XY十字工作台、旋转工作台四局部组成。多功能工作台面多功能工作台面长1000cm、宽720cm。用于固定十字工作台支架和旋转工作台支架。型材支架型材支架分为十字工作台支架和旋转工作台支架。十字工作台支架的四只脚之间组成长630cm、宽480cm的长方形，固定在多功能工作台面的左上方。支架上方固定着十字工作台。旋转工作台支架旋转工作台支架固定在多功能工作台面上，上方固定着由于固定电机的固定板。三、XY十字工作台XY十字工作台由伺服电机控制，考虑到机械强度的问题，Y轴有两个平行轴固定，其中左侧的为主动驱动轴，右侧为从动轴。且Y轴两端装有行程开关，限定X轴左右运动范围；X轴平面装有霍尔传感器；下方为旋转工作台，工作盘由交流电机〔电机的速度由变频器控制〕带着转动。四、旋转工作台旋转工作台由多孔工作盘和电机组成。多孔工作盘固定在电机〔型号中大电机51K4OGN-S3，自带减速箱〕转轴上，电机通过固定板，固定在旋转工作台支架上。实物图参看图3-1。图3-1传动系统实物图机械系统元件清单机械系统元件清单见表3-1表3-1机械系统元件清单机械系统元件清单名称数量名称数量多功能工作台面1电机固定盘3型材支架假设干CCM导轨组合1多空工作盘1固定螺丝假设干3.2电气系统设计接近开关选型一、接近开关选择选用霍尔接近开关。霍尔元件是一种磁敏元件。利用霍尔元件做成的开关，叫做霍尔开关。当磁性物件移近霍尔开关时，开关检测面上的霍尔元件因产生霍尔效应而使开关内部电路状态发生变化，由此识别附近有磁性物体存在，进而控制开关的通或断。霍尔接近开关的连接霍尔接近开关的连接见图3-2.图3-2接近开关连接图变频器选型一、变频器选型由于实验室器材限制，变频器选用三菱FR-A700系列。二、变频器设置变频器的连接采用NET〔网络〕运行模式，变频器外接C-Clink通信模块和可编程逻辑控制器的C-Clink模块连接，将终端电阻开关设置成100Ω，连接电缆是C-Clink专用电缆，链接方便通讯简单，而且可以链接多台变频器，为后期硬件改善留有余量。变频器C-Clink通信模块和PLC的C-Clink模块端子连接，见图3-3。变频器的连接步骤：1、确认连接方法，2、准备接线，3、断开可编程逻辑控制器的电源，4、连接〔仅FXon-485ADP〕电源，5、通讯设备之间的接线，6、连接终端电阻，7、连接屏蔽线。图3-3C-Clink通信模块连接变频器的参数设置本系统设计不需要改变电机转矩控制，位置控制，对于速度控制如果用改变电压来控制电机的转速会因电流增大而使电机发热、烧坏，因此保持输出电压和频率的比率恒定的方式就是采用V/F控制模式，采用V/F控制对电机的要求比拟少，通用性比拟好，适用低速调整。其他方式在本系统中，没有被采用，采用V/F控制就满足本系统的要求。1、确认运行的现实以及运行模式的显示：确定已是停止运行状态。2、设定为参数设定模式：按下MODE键后，设置为参数设定模式。3、输入参数：转动M拨盘，对准P79，按下SET键，转动M拨盘，将设定直改为6，按下SET，完成输入参数。4、完成输入：按照步骤3，将表3-2中的数据全部输入变频器，完成变频器的参数设定。表3-2变频器参数设定表参数编号设定值参数编号设定值Pr796Pr5020Pr3380Pr5410Pr3390Pr5421Pr34010Pr5430Pr3490Pr54412Pr50000Pr5509999变压器的选择与连接因选用FR-A700型变频器，额定输入3PHAC200~220V。而赛场提供电源为AC3PH380V所以应选用变压器，变压器输入三相380V,输出为三项200V。连接方式为进线端连接赛场提供三相电源，出线端连接变频器。三相电机选型将水泵接到变频器的输出端子U、V、W输出端子即可。伺服放大器选型伺服放大器也叫伺服控制器，是控制伺服电机转速的控制器。本系统采用MR-J3-10A，MR-J3系列伺服放大器配有USB通用接口可方便和PC机的通讯,通讯速度快，实时采集数据的能力非常强。运动控制系统中伺服放大器与PLC定位模块〔QD75P2N模块〕用专用电缆连接。两伺服放大器分别于定位模块的A轴和B轴。详细链接见图3-4。图3-4伺服放大器连接图伺服电机选型伺服电机有两根外置电缆线，一根是电源线，将电源线连接到伺服放大器的U、V、W端，另外一根是链接伺服放大器的编码线CN3；编码线连接到伺服放大器的CN2接口。3.2.7PLC选型一、PLC的选用选用三菱Q系列PLC，硬件配置见表3-4。表3-4PLC硬件配置表模块说明Q64PN电源模块Q04UDEHCPUCPUQD75P2N定位模块QX42I∕O输入模块QY42PI∕O输出模块QJ61BT11NC-CLINK模块二、PLC的连接PLC可直接连接到电脑进行通讯，GOT也可以直接连接到电脑通讯，但是这样会比拟麻烦，有一种直接通讯方式，可通过一根USB电缆线连接到GOT，可经由GOT进行工控设备的编程与安装、调试，无需翻开控制柜、更换电缆等麻烦的工作，这种就是透明连接。本系统PLC——GOT——PC的连接参看图3-5。图3-5透明接线图PLC外界输入输出信号及地址分配及电路连接PLC请参表3-5输入输出端口分配表和图3-7PLC连接图。表3-5I∕O端口分配序号端子说明1X20X轴前限位2X21X轴后限位3X22Y轴右限位4X23Y轴左限位5X24接近开关人接界面选型人机界面选用三菱GT1155-QSBD-C，通过专用电缆和PLC链接。系统电路设计与安装系统原理图参看图3-6，主电路由一个空气开关保护，三相线下面连接变压器，变压器连接变频器，由变频器控制水泵转速大小，实现液位、流量、压力控制。另一项由220V连接PLC、GOT、开关电源以及调压模块。变频器和各传感器由PLC进行控制的，开关电源是为各传感器提供24V而采用的。系统电气控制柜安装布置图参看图3-7。图3-6电气控制原理图图3-7系统安装布置图电气元件清单电气元件清单见附录A。第四章系统软件技术方案4.1PLC软件设计程序流程图系统控制流程图见图4-1。图4-1系统控制程序流程图软元件说明软元件说明见附录C梯形图设计详细梯形图见附录D。4.2GOT软件设计GOT的画面编辑是通过GTDesinger2进行编辑，操作简单，可自行编辑画面，亦可自行美化画面。程序通过USB电缆线进行下载设计画面。本系统设计了4个画面包括：欢送画面、系统启动画面、手动模式画面、自动模式画面。软元件分配软元件分配见表4-2。表4-2GOT软元件分配表软元件说明软元件说明XOO2A系统复位XOO2B在启动X002CX轴向左X002D轴向右X002E轴向上X002F轴向下X0025系统启动X0026回原点XOO29系统停止Y0060系统故障指示灯Y0061追踪指示灯D210频率设定值D202当前位置GOT画面设计和操作GOT的画面编辑是通过GTDesinger2进行编辑，操作简单，可自行编辑画面，亦可自行美化画面。程序通过USB电缆线进行下载设计画面。本系统设计了4个画面包括：欢送画面、操作画面、手动画面和自动画面。GOT上电启动后，首先进入的是欢送界面，如图4-2。图4-2欢送画面点击按钮，可进入操作画面，如图4-3。图4-3操作画面在操作画面中点击或按钮，可分别进入手动控制画面和自动控制画面，如图4-4，图4-5。在手动控制画面和自动控制画面中可进行相应的操作控制。图4-4手动控制画面图4-5自动控制画面第五章系统调试5.1调试一般准那么调试的根本任务为了实现生产机械的工作任务以及到达规定的静态、动态性能指标，必须在系统安装竣工并经质量检验合格后，进行认真细致的调试工作。这是确保系统平安可靠、合理进行的必要手段。为此，应做到以下几方面要求。按技术文件及图纸对各单体设备、附属装备进行外观检查，关键尺寸检查，装配质量及部件互换性检查，接线检查，绝缘试验等常规的检验，以发现整个系统的设备及附件在经过长途搬运、仓库保管以及安装过程中有无损坏、过失或其他隐患。找出并核对系统中各电源装置的极性、相序以及各单元之间的正确连接关系。将所有保护装置均按设计要求进行整定。对每一单元进行特性测定、调整、试验，使其工作在最合理的工作状态——到达满意的技术指标。通过调试，使得整个系统获得较为理想的静态特性和动态指标。验证在各种状态下，系统工作的可靠性，以及各种事故状态下保护装置的可靠性。通过调试，校核设计文件的正确性及提供修改设计的必要依据。调试前准备1、应具备完整的设计图纸、说明书〔包括有关计算〕以及主要设备的技术文件；2、应编制详尽的系统调试大纲，明确规定各单元、各环节以及整个系统的调试步骤、操作方法、技术指标；3.、应挑选对本系统有一定了解的人员和电工参加调试工作，必要时可邀请有关设计人员、技术人员参加调试；4、除一般常用的仪器、仪表、工具、器材、备品、配件等应齐备完好外，还应准备好被调试系统所需的专用仪器和仪表，如双踪示波器等；5、为确保调试平安顺利进行，应具有可切断全部电源的紧急总开关，并认真考虑调试时的各种平安措施。调试前的检查1、设备安装检查；2、线路检查；3、绝缘检查。调试的一般顺序1、先查线，后操作；通电前先检查线路；2、先保护，后操作；先做保护局部整定，后调试操作局部；3、先单元，后整体；先调单元局部，后调整体局部；4、先静态，后动态；先调静态工作点，后调动态响应；5、先模拟，后真实；先带电阻性模拟负载试验，后带真实负载；6、先开环，后闭环；系统调试时先做开环调试，后做闭环调试；7、先内环，后外环：双闭环系统调试时先做内环调试，后做外环调试；8、先低压，后高压；整个系统投入时，先送低压电调试，然后再投入高压；9、先轻载，后重载；试运行时可以先带轻负载，后带重负载、过负载；10、先手动，后自动；试运行时先做手动操作试验，满意后再投入自动系统试验；11、先正常，后事故；试运行时先按正常情况下操作，然后按各种事故状态试验，以考核整个系统工作可靠性。5.2机械系统调试运动控制机械系统调试主要是X轴、Y轴的调试。为了保证运动控制系统的稳定运行，请注意一下几点：1、检查型材支架是否固定牢固；2、工作盘转动是否顺畅；3、X轴和Y轴是否固定牢固；4、X轴和Y轴运动是否顺畅，假设运动时出现噪声、用手拉动感觉不顺畅，那么需要调整；5、伺服电机和轴的连接是否牢固。5.3电气系统调试电气系统调试的重点和难点是调整工作盘的转速和定位笔的运动同步。及找出模糊控制表，模糊控制表见附录B。第六章总结在指导老师的辛勤指导和帮助下，经过一个月的共同努力，系统已根本能完成大赛的控制要求。在不断地系统设计和调试过程中，发现和解决了很多问题。通过对问题的反复思考和实践，激发了对工程技术的兴趣，也使在课堂学到的知识与实践结合。队员之间相互分工和配合，相互支持与帮助，相互学习与讨论，提高了团队协作精神。运动控制系统采用Q系列PLC控制，由于我们对Q系列PLC使用比拟少，对各个模块的使用不太熟悉，所以花了很长时间来学习各模块的使用，现在能够学会使用Q系列PLC也是一件值得快乐地事情。经过不断地控制调试，运动控制系统已根本能到达大赛说明书要求，能正常运行。但由于时间仓促和技术缺乏，系统中还存在许多技术问题，比方系统采用开环控制，很难找到工作盘转动与定位笔运动之间的关系，因此只能通过模糊控制表寻找工作过盘的与定位笔之间的关系。假假设时间充足，采用闭环控制系统来控制，定位追踪精度将能到达更要求，系统控制能力也将更完善。参考文献[1]吴启红.变频器、可编程序控制器及触摸屏综合应用技术实操指导书[2]龚仲华，史建成，孙毅.三菱FX/Q系列PLC应用技术.人民邮电出版社，2006[3]满永奎.三菱Q系列PLC原理与应用设计.机械工业出版社，2010[4]陈忠平.三菱三菱Q系列PLC自学手册.人民邮电出版社，2009[5]张燕宾．变频调速应用实践．机械工业出版社，2002[6]三菱QJ61BT11N模块使用手册[7]三菱QD75P2N模块使用手册[8]三菱FR-A700使用手册[9]三菱MR-J3-10A伺服放大器使用手册[10]百度文库致谢首先感谢三菱电机自动化〔中国〕对本次“三菱电机自动化杯”大学生自动化大赛的大力支持和全程关注，感谢教育部高等学校电气工程及其自动化专业教学指导分委员会，感谢教育部高职高专自动化技术类教学指导委员会，感谢中国自动化学会，感谢南京工程学院、南京工业职业技术学院以及各协办单位，让我校有时机参加本次大赛，我们很荣幸地代表扬州市职业大学参加本次大赛。感谢南京工程学院对我校参加本次大赛在设备和技术上的支持。感谢张兆东老师和戴亦宗老师在培训期间对我们的谆谆教导，在近一个月的培训期间让我们学到了很多东西，感谢扬州市职业大学汽车与电气工程系全体教师，对本次参加大赛的高度重视，没有他们的帮助我们不可能完成这个工程的控制。附录附录A电器元件清单电气元件清单名称数量〔台∕套〕备注电源模块1Q64PNCPU1Q04UDEHCPU定位模块1QD75P2NI∕O输入模块1QX42I∕O输出模块1QY42PC-CLINK模块1QJ61BT11N伺服放大器2MR-J3-1OA伺服电机2HF-KP13变频器1FR-A700三相电机151K40GN-S3GOT1三菱GT1155-QSBD-C开关电源1空气开关1继电器1接近开关1行程开关4变频器/HZ附录B模糊控制表变频器/HZ脉冲P/min脉冲P/min20212223242526272829303132333435135003630381540254275