机电一体化综合设计实训教程 课件 第10章 基于触摸屏的伺服电机控制实验

CHANG’ANUNIVERSITY第10章基于触摸屏的伺服电机控制实验CHANG’ANUNIVERSITY第10章伺服电机控制系统设计10.1工作原理：解析伺服控制核心机制，对比伺服与步进电机的性能差异及实验要点。10.2硬件设计：搭建系统硬件架构，详解伺服驱动器参数配置与电气原理接线设计。10.3软件编程：开展PLC主程序与子程序开发，解析运动控制的程序逻辑与调试方法。10.4上位监控：设计触摸屏人机交互界面，实现变量关联、参数设置与状态实时监控。10.5实验总结：验证系统运行实测结果，分析调试问题并完成实验思考与总结。CHANG’ANUNIVERSITY10.1工作原理第10章基于触摸屏的伺服电机控制实验CHANG’ANUNIVERSITY10.1工作原理

伺服电机是伺服系统的核心动力部件，其核心优势在于闭环反馈控制。它通过内置的编码器（旋转检测器）实时采集转子的位置与速度信号，并将数据反馈给控制器；控制器持续对比实际位置与目标位置的偏差，动态调整输出指令，从而实现高精度的位置锁定，即使中途停机也能自动回正以纠正偏差。步进电机则采用开环控制模式，旋转角度与输入脉冲数呈正比，无需额外的位置检测机构。相比之下，伺服电机在定位精度、抗干扰能力上更具优势。CHANG’ANUNIVERSITY10.1工作原理1实验内容掌握伺服电机的闭环控制原理，理解脉冲与方向信号的控制逻辑学习伺服驱动器参数配置，实现电机转速、转向及运行模式的调整根据控制要求，设计电源、控制回路的伺服电机电气连接原理图完成WINCC触摸屏与PLC的通信组态，建立变量关联与实时监控2实验步骤硬件接线：断电状态下，依据电气原理图完成实验台架的动力线与信号线连接程序调试：编写PLC控制程序，实现电机启停、正反转及调速功能，编译后下载人机交互：通过触摸屏界面对电机进行实时状态监控与手动控制，验证系统功能CHANG’ANUNIVERSITY10.2

硬件系统设计第10章伺服电机控制实验CHANG’ANUNIVERSITY10.2.1

系统的硬件组成1.核心控制单元（PLC）：选用西门子S7-200PLC，负责处理输入信号、执行逻辑运算并输出控制指令。2.伺服驱动模块：配置欧姆龙R88D-KT02H-Z伺服驱动器，它接收PLC发出的脉冲与方向信号，将其转化为驱动电机运转的动力信号，实现对电机转速、转向及扭矩的精准调控。3.执行驱动电机：采用R88M-K20030H-S2-Z伺服电机，将驱动器的电能转化为高精度的机械旋转运动，完成对负载的精确位置控制与速度跟随。这三类核心硬件通过电气连接形成“控制-驱动-执行”的完整闭环，为实验系统的稳定运行、精准控制提供了可靠的硬件基础与技术保障。CHANG’ANUNIVERSITY10.2.2伺服电机驱动器1实验核心器件选型

采用OMNUCG系列AC伺服控制器R88D-KT02H-Z，它集成了高性能的控制算法，能够精准驱动伺服电机，支持位置控制与速度控制两种关键运行模式。2双模式运行机制详解位置控制模式：接收外部高达500kpps的高速脉冲串指令，能精确控制电机的旋转角度与目标位置。速度控制模式：通过驱动器内部参数设定或外部模拟量电压输入来调节电机转速，适用于对转速稳定性要求较高的应用场景。CHANG’ANUNIVERSITY10.2.2伺服电机驱动器供电规格：适配单相AC

200-240V（50/60Hz）控制电源。能耗保护设计：B1-B3为外部再生电阻专用端子，用于吸收电机在频繁启停、急减速工况下产生的再生电能。面板布局解析：驱动器集成了主回路电源、控制信号接口(CN1)、编码器反馈接口(CN2)及状态显示单元。其中再生电阻的配置是保障伺服系统动态性能与设备安全的关键，需根据实际负载惯量与运行频率合理选配。伺服电机驱动器接口布局图CHANG’ANUNIVERSITY10.2.2伺服电机驱动器CN1I/O连接器CN1接口概述：是伺服驱动器的核心控制接口，CN1承担指令输入、状态反馈与逻辑控制功能，是实现电机精准调速与定位的关键通道。位置控制指令：引脚2-6为脉冲输入端子，适配位置控制模式的脉冲指令输入。基础供电与保护：引脚7提供DC12-24V电源输入；引脚8/9为正反转驱动禁止端子，可紧急切断输出保障设备安全。运行与故障管理：引脚29为RUN伺服使能信号，引脚31为RESET报警复位信号，实现驱动器启停与故障恢复控制。反馈与调速信号：引脚10接收模拟量速度指令；编码器ABZ信号通过引脚21-24、48-49输出，配合引脚19/25的Z相原点信号，实现闭环位置检测。CHANG’ANUNIVERSITY10.2.2伺服电机驱动器伺服驱动器参数设定模式操作流程01进入参数模式：按下驱动器面板上的“MODE”或对应功能键，切换至参数设定（PRM）模式，进入配置界面。02选择参数号：利用面板上的“▲”“▼”上下箭头键，滚动浏览并选定需要修改的目标参数编号（如P001）。03修改参数值：按下“DATA”键激活数值编辑状态，通过箭头键调整数值大小，再次按“DATA”确认当前数值修改。04保存参数设定：持续按住“SET”键5秒以上，直至面板显示“Save”或“OK”提示，参数将被写入EEPROM永久保存。⚠️重要提示：修改后的参数必须执行保存操作，否则断电后配置将恢复默认值；部分涉及电机运行的关键参数，修改后需重启伺服驱动器方可生效。CHANG’ANUNIVERSITY10.2.2伺服电机驱动器常用参数配置说明：欧姆龙伺服驱动器参数需根据实验场景设定，核心参数定义如下：P1-00(02)：设定外部脉冲输入形式，适配控制器输出类型P1-01(00)：选择伺服基本工作模式（位置/速度/转矩模式）P2-10(01)/P2-19(02)：配置伺服使能(SON)与启动信号的输入端子定义P2-11-13(11/12/13)：分别定义位置指令输入通道0/1/2的功能映射P2-17(08)：配置外部触发信号(CTRG)的输入逻辑与功能P2-18(07)：设定伺服报警输出信号的状态与逻辑电平注：参数数值为实验参考值，实际需按设备手册与硬件连接调整。CHANG’ANUNIVERSITY10.2.3触摸屏

触摸屏采用7寸

Smart700IE

屏，可用485或者对等网线进行程序下载，通过485与PLC通信。485下载LAN下载CHANG’ANUNIVERSITY10.2.4电气原理图▍伺服电机控制系统架构

系统采用高速脉冲信号实现伺服线控，配合30:1速比的蜗轮蜗杆减速机进行减速调速。硬件资源配置1路DI与2路DO（正反转脉冲输出）。CHANG’ANUNIVERSITY10.2.5接线表一、关键接线定义DI10.0信号输入：连接至伺服驱动器端子65，用于采集电机编码器Z相（零位）反馈信号。DOQ0.0脉冲输出：连接至驱动器端子52（反脉冲+），作为电机反转方向的控制脉冲信号。DOQ0.1脉冲输出：连接至驱动器端子53（正脉冲+），作为电机正转方向的控制脉冲信号。主电源回路：接入驱动器L1/L2主电源端子，为电机提供动力能源，需匹配额定电压DC24V控制电源：为PLC主机、人机界面（触摸屏）及驱动器控制板供电，确保逻辑控制稳定。系统接地GND：所有设备的保护地与信号地必须短接后统一接地，防止电磁干扰与触电风险。CHANG’ANUNIVERSITY10.2.5接线表⚠️操作安全规范接线操作必须在完全断电状态下进行！严禁带电插拔航空插头或端子排。接线完毕后，请反复核对线序与端子号，确认无误后方可通电，防止因接错线导致PLC或驱动器硬件烧毁。I/O口端口线号备注DII0.06565(Z相输出)DOQ0.05252(反脉冲+)Q0.15353(正脉冲+)电源5UU(220V)6NN(零线)87、58、1L+、1M(蓝)24V（L+）87（触摸屏+）58（伺服驱动器+）1L(PLC+)88、55、57、66、71、1M（绿）、COM(I0.0左边)GND88(触摸屏-)、55(反脉冲-)、57(正脉冲-)、66(伺服驱动器-)、71(运行-)、1M(PLC-)CHANG’ANUNIVERSITY10.3控制系统软件设计第10章基于触摸屏的伺服电机控制实验CHANG’ANUNIVERSITY10.3.1功能分析系统组成：由上位机（触摸屏）和下位机（PLC）构成，通过ModbusPPI协议进行数据交互与参数传输。下位机PLC：负责伺服电机的正反转定位、速度调节等核心控制，利用高速脉冲输出口输出精准脉冲以驱动电机。上位机触摸屏：提供可视化人机界面，实现电机转速与位置的实时监控，以及设备的启停与参数设置。核心关键：对PLC高速脉冲端口的参数配置与脉冲数输出是实现伺服精准控制的基础。高速脉冲配置与逻辑控制流程CHANG’ANUNIVERSITY10.3.2PLC程序设计主程序网络1：系统初始化逻辑

利用PLC上电首个扫描周期唯一置位的特殊继电器SM0.1，执行系统启动时的关键初始化操作：调用HSC_INIT功能块，完成高速计数器HSC0的模式配置与硬件复位；将控制寄存器SMB166及数据寄存器VD300、VD400、VD210、VD420强制清零，确保程序启动环境清洁。初始化程序梯形图CHANG’ANUNIVERSITY10.3.2PLC程序设计通信触发：当Q0.5（电机运行标志）置1时，触发PLC与触摸屏的数据交互链路，为上位机监控提供数据基础。角度同步：通过MOV_DW指令将电机当前角度脉冲值（VD120）写入触摸屏关联寄存器VD300，实现角度实时可视化。速度同步：利用MOV_DW指令将转速数据（VD410）传送至VD400，绑定触摸屏速度显示控件，保障参数实时刷新。设计意义：构建底层设备与上位机的通信桥梁，实现电机运行状态的实时反馈，是监控系统的核心通信环节。电机运行数据与触摸屏的通信交互逻辑CHANG’ANUNIVERSITY10.3.2PLC程序设计变量关联定义：VD100关联触摸屏旋转角度输入组件，用于获取用户设定的角度值；VD200关联旋转速度输入组件，用于读取速度设定参数。程序触发逻辑：当SM0.0（PLC运行始终接通的特殊继电器）置1时，程序自动读取触摸屏上人工输入的电机旋转角度与速度数值，并将其存入PLC内部寄存器。核心功能作用：作为人机交互的数据采集环节，为后续的脉冲计算、运动控制逻辑提供基础设定参数，是PLC执行精准控制的前提。CHANG’ANUNIVERSITY10.3.2PLC程序设计网络4：启动信号逻辑触发中间变量M10.0与触摸屏启动按钮直接关联，按下按钮时M10.0立即置1，作为程序执行的核心触发源。输出置位与状态锁定：M10.0为ON时，触发置位指令将Q0.5（电机运行标志位）置1，实现电机运行状态的逻辑锁定，防止误操作。子程序调用驱动执行：利用M10.0的有效信号调用“子程序0”，通过子程序内的控制逻辑完成伺服电机的启动初始化与运行控制。CHANG’ANUNIVERSITY10.3.2PLC程序设计网络5：停止控制逻辑

当触摸屏按下停止按钮，停止标识位M10.1置1，触发程序执行：复位输出：将Q0.5（电机运行标志）清0寄存器清零：SMB166、VD400数据复位功能调用：触发子程序1，实现伺服电机急停伺服电机启停逻辑模块CHANG’ANUNIVERSITY10.3.2PLC程序设计01网络6：电机启动逻辑当Q0.5置1，触发调用子程序SBR_0，完成高速脉冲的参数配置与发送，从而驱动电机启动运行。02网络7：电机停止逻辑当Q0.5置0，触发调用子程序SBR_1，实现电机的紧急停止或正常停机，保障设备安全。程序设计核心通过检测Q0.5的通断状态，分别调用启动（SBR_0）和停止（SBR_1）子程序，实现电机运行的闭环控制。采用子程序封装脉冲输出逻辑，提高了程序的模块化与可读性，便于后期维护与功能扩展。子程序调用模块CHANG’ANUNIVERSITY10.3.2PLC程序设计核心变量：以M10.2为方向控制中间变量，直接映射触摸屏的“旋转方向”按钮，是人机交互与程序逻辑的桥梁。触发逻辑：人工点击按钮后，M10.2线圈置1，触发PLC内部的方向切换程序，实现指令的实时响应。执行结果：程序根据M10.2的状态，切换伺服驱动器的脉冲方向信号，从而控制电机实现正转或反转的切换。网络8梯形图--通过M10.2控制伺服方向CHANG’ANUNIVERSITY10.3.2PLC程序设计▍子程序0：脉冲输出与高速计数配置该子程序核心实现脉冲串输出(PTO)与编码器高速计数功能，采用3段式PTO配置保障伺服电机启停平稳，具体参数定义如下：VB500（总段数）：赋值为3，定义PTO输出的总运行段数为3段。第1段（加速段）：VW501=500μs（初始周期），VD505=200（脉冲数），实现电机启动加速。第2段（匀速段）：VW509=VW210（触摸屏设定周期），VD513=VD300（触摸屏设定脉冲数），支持在线调速。第3段（减速段）：VW517=200μs（初始周期），VD521=100（脉冲数），实现电机平稳减速停止。CHANG’ANUNIVERSITY10.3.2PLC程序设计▍子程序1：伺服电机停止控制该子程序负责切断脉冲输出以实现电机急停。以SM0.0常ON触点为使能条件，通过MOV_B指令清空脉冲控制寄存器(SMB67)，随后调用PLS指令停止高速脉冲输出，确保伺服系统立即停止并复位，保障设备运行安全。▍子程序2：高速计数器(HSC0)配置用于采集编码器反馈信号。通过SMB37将HC0配置为“高电平增计数模式”，初始化计数值(SMD38)与预设值(SMD42)；调用HDEF定义计数器模式，最后执行HSC指令启动计数。此配置可实时捕获电机旋转脉冲，实现对电机转速与位置的精准检测与闭环控制。CHANG’ANUNIVERSITY10.4上位机监控系统设计第10章基于触摸屏的伺服电机控制实验CHANG’ANUNIVERSITY10.4.1触摸屏功能上位机监控触摸屏作为系统交互核心，需实现对伺服电机的全维度管控，具体功能如下：基础控制：支持伺服电机的启动、停止及正反转的实时指令下发与执行角度监控：动态采集并可视化显示伺服电机的实时旋转角度，数据实时刷新速度监控：实时反馈伺服电机的运行转速，直观呈现电机当前动态工况角度设定：支持用户在触控端直接输入目标旋转角度，实现精准位置控制速度设定：可自定义伺服电机的目标运行速度，适配不同场景的调速需求CHANG’ANUNIVERSITY10.4.2参数设置连接参数配置根据硬件需求，在网络配置中选择PPI协议作为通信接口，这是西门子S7-200系列PLC的专用协议。将HMI设备的波特率设定为9600bps，并确认站地址等其余参数与硬件实际配置一致（参考图示）。确保触摸屏与PLC的通信参数完全匹配，是实现数据稳定交互的基础前提。配置提示：波特率的选择需兼顾传输速度与抗干扰性，9600bps在工业现场短距离通信中应用广泛；若通信距离较远，可适当降低波特率以提高稳定性。CHANG’ANUNIVERSITY10.4.2参数设置控件添加：从WinCC“工具-简单对象”栏拖拽按钮至画面，完成界面基础布局定位。外观定制：在属性面板可自定义按钮背景色、文字字体与大小，适配工控视觉需求。逻辑组态：在“事件-按下”中绑定Setbit函数，新建Bool型变量（如“启动”）并映射PLC地址（如M10.0），实现触屏操作与PLC信号的联动。WinCC人机界面设计CHANG’ANUNIVERSITY10.4.3触摸屏关联变量一、变量关联的核心作用触摸屏作为上位机交互终端，需与PLC程序中的寄存器建立物理地址映射，实现“指令下发（触控→PLC）”与“状态反馈（PLC→触控）”的双向通信，是构建人机交互系统的基础。二、关键组件与PLC变量映射启停控制信号：启动按钮映射M10.0（上升沿触发程序运行），停止按钮映射M10.1（置位后触发停机逻辑），均为BOOL型位变量。运行参数设定：旋转方向切换关联M10.2（0=正转/1=反转）；目标角度输入框绑定VD100，目标转速输入框绑定VD200，采用32位浮点数存储。实时数据监控：触摸屏角度显示组件关联VD300，转速显示组件关联VD400