伺服电机控制实验装置设计——程序设计毕业论文

南阳理工学院本科生毕业设计（论文）
学院（系）：电子与电气工程系
专业：自动化
学生：
指导老师：
完成日期2011 年 5 月
南阳理工学院本科生毕业设计（论文）
伺服电机控制实验装置设计——程序设计
Servo motor control experiment device design
——programming
总计：毕业设计（论文）页
表格：9 个
插图：12 幅
南阳理工学院本科毕业设计（论文）
伺服电机控制实验装置设计——程序设计
Servo motor control experiment device design
——programming
学院（系）：电子系
专业：自动化
学生姓名：
学号：079611
指导教师（职称）：
评阅教师：
完成日期：
南阳理工学院Nanyang Institute of Technology
伺服电机控制实验装置设计——程序设计
自动化
［摘要］该系统是基于台达PLC和台达变频器的伺服电机控制系统设计，利用变频器控制异步电机，通过旋转编码器来间接的测出异步电机的速度，把速度转化为脉冲的形式送给PLC来控制伺服电机，实现伺服电机与异
步电机的跟随功能，并通过人机界面的程序来控制伺服电机的转动形式与修
改PLC的内部寄存器来改变伺服电机的速度，同时也要设定好伺服驱动器的
内部参数以达到良好的控制效果。

［关键词］变频器；PLC；异步电机;伺服电机；控制精度
Design of Servo motor control experiment device
——programming
Automation Specialty NIE Yao－hua
Abstract: This system is a servo control system which designed based on Delta PLC , Delta Variable-frequency and servo motor, using Delta Variable-frequency to control asynchronous motor. Through the revolving encoder to measure the asynchro nous motor’s speed. Then translate the speed into pulse form to PLC to control servo motor, to realize the function of the servo motor tracking the asynchronous motor absolutely, and through the program of the Human Machine Interface to
control the servo motor’s rotating form and change the parameters of Human Machine Interface and Delta Variable-frequency Drive to change the motor speed, also need setting the servo drive internal parameters to achieve good control effect.
Key words: Variable-frequency drive; Programmable logic controller; Asynchronous motor；Servo motor；Control precision；
目录
1 引言 (1)
1.1 伺服控制技术的国内外研究现状 (1)
1.2 设计内容和任务要求 (1)
1.2.1设计内容 (1)
1.2.2任务要求 (1)
1.3 系统设计可行性分析 (2)
2 系统的控制硬件原理 (3)
2.1台达PLC与其工作原理 (3)
2.2 台达变频器的介绍 (4)
2.3 伺服驱动器的功能介绍 (5)
2.4 伺服电机的工作原理 (7)
2.5 人机界面的功能介绍 (8)
3 台达PLC控制系统的程序设计 (10)
3.1基本指令功能介绍 (10)
3.2 应用指令功能介绍 (13)
3.3 程序的设计思路 (16)
3.4 程序的各个模块功能介绍 (17)
3.4.1 程序流程图 (18)
3.4.2 伺服电机正反转与加减速程序设计 (19)
3.4.3 伺服电机跟随功能的程序设计 (19)
4 人机界面程序介绍 (22)
4.1 人机界面的设计制作 (22)
4.2人机界面的程序介绍 (25)
结束语： (28)
参考文献 (28)
附录一：控制设备硬件图 (29)
附录二：控制程序梯形图 (30)
致谢 (32)
1 引言
1.1 伺服控制技术的国内外研究现状
在国外，伺服控制不仅应用于普通的工业和农业医疗等，在卫星和导弹的准确定位方面也起着越来越重要的作用，这种新型的控制系统已悄然改变着国外的生产模式。

对于经济国防等关系民生的重要领域发挥着越来越重要的作用。

我们国家的伺服控制系统的研究较国外晚一些，但是台达公司也推出了一些比较好的伺服控制系统。

但跟国外还是有差距的，主要体现在控制的精度上，随着国内经济的发展，国内设备对控制精度的要求越来越高，现成的控制系统仍有许多需要改进和完善的地方，因此要不断地改进和技术革新。

在国内，伺服电机在工农业方面的应用越来越广泛，同时随着近些年的国内出现的航空热和对军事高度机动化的要求，对传动和运动控制都提出了更高的要求，因此伺服系统的研究需要也逐渐凸显出来[1]。

1.2 设计内容和任务要求
1.2.1设计内容
（1）伺服驱动器和PLC的合理配置，要求信号能够正常的传输。

（2）PLC程序的正确编写，能够实现伺服电机的正反转控制。

（3）能够实现伺服运动控制的各种实验项目的设计。

（4）实现伺服电机跟随异步电机的控制。

1.2.2任务要求
（1）查找与本研究项目有关的材料。

（2）学习伺服控制工作原理与伺服控制的工作过程。

（3）设计伺服控制所需的主控电路与外围电气电路等。

（4）完成伺服控制实验项目与程序的调试。

（5）对实验与测试结果进行分析和总结。

1.3 系统设计可行性分析
（1）研究的必要性：伺服控制技术的教学和科研对于自动化专业学生的培养是必须的。

国内虽有多家实验教学设备生产厂家，但价格昂贵，建设周期长。

所以自我研制伺服驱动实验装置对于学科建设和学生培养很有现实意义。

（2）设计原理可行性：台达的PLC、变频器、伺服电机、智能仪表等自动化产品在国内自动化领域的应用越来越广泛，如在恒压供水、风机节能、造纸、织布印染、工业洗涤、塑材生产、机械加工、包装印刷等多个行业中得到很好的应用。

价格适当，且能完成较为复杂的控制过程。

本课题采用台达产品组成完整的控制系统是可行的。

（3）知识能力的可行性：大学四年我系统掌握了控制程序设计能力、电气设计能力、传动技术等软硬件设计能力，初步具备自动化系统设计能力。

（4）实验条件的可行性：学院具备该方面的实验室与实验测试设备，有台达公司具体的工业级自动化设备。

在老师的精心指导下，按照研究课题设计要求经过设计、调试与测试分析，一定能够按计划完成毕业设计任务的系统设计指标的要求。

2 系统的控制硬件原理
2.1台达PLC与其工作原理
PLC（Programmable Logic Controller）,乃是一种电子装置，早起称为顺序控制器“Sequence Controller”,1978 NEMA(National Electrical Manufacture Association)[2]美国国家电气协会正式命名为Programmable Logic Controller(PLC),其定义为一种电子装置，主要将外部的输入装置如：按键，感应器，开关与脉冲等的状态读取后，依据这些输入信号的状态或数值并根据内部储存预先编好的程序，以微处理机执行逻辑，顺序，定时，计数与算式运算，产生相对应的输出信号装置如：继电器的开关，电磁阀与电机驱动器，控制机械或程序的操作，达到机械控制自动化或加工程序的目的。

并藉由外围的装置（个人计算机/程序书写器）轻易地编辑/修改与监控装置状态，进行现场程序的维护与试机调整。

而普遍使用于PLC程序设计的语言，即是梯形图（Ladder Diagram）程序语言[3]。

梯形图为第二次世界大战期间发展出来的自动控制图形语言，是历史最久，使用最广泛的自动控制语言，最初只有A（常开）接点，B（常闭）接点，输出线圈，定时器，计数器等基本机构装置（现在使用的配电盘就是），直到可程控器PLC出现后，梯形图中可表示的装置，除上述之外，另增加了诸如微分接点，保持线圈等装置以与传统配电盘无法达成的应用指令，如加，减，乘与除等数值运算功能。

台达公司的PLC型号有很多，客户可根据自己的具体需求来选择不同型号的PLC。

台达PLC的型号有ES/EX/SS/SA/SX/SC/EH/EH2/SV等[4]，每种型号的
PLC的输出形式也不太一样，有晶体管（T）输出和继电器（R）输出，同时其输入继电器（Input Relay），输出继电器(Output Relay)，内部辅助继电器(Internal Relay)，步进点(Step)，定时器(Timer)，计数器(Counter)，数据寄存器(Data Register)，文件寄存器()，变址寄存器(Index Register)也是不一样的，有数量和大小的不同[5]。

但基本指令没有什么区别，都是一样的，可用梯形图进行编程，也可用指令语句来编写。

但用指令形式编写没有梯形图使用的广泛，同时还易造成扫描时间过长。

客户应根据自己的掌握情况来编写控制程序。

其工作时仍然采用循环扫描的工作方式，依照从上到下，从左到右的形式进行扫描，根据输入寄存器的数据的变化来刷新输出寄存器的内容。

2.2 台达变频器的介绍
台达变频器跟PLC一样有不同的系列，在使用时要选用适合自己设计要求的产品，我此次设计使用的是VFD-B系列的。

在使用时要仔细看它的配线图，不要接错线，不然会烧坏变频器。

下面我简单的对几个重要的端子介绍一下：R,S,T(R/L1，S/L2，T/L3)为商用电源输入端，根据你的需要接电源。

U,V,W（U/T1，V/T2，W/T3）为交流电机驱动器输出与感应电动机接续。

P1，P2为功率改善DC电抗器连接端，安装时请将短路片拆除，P-B,P2/B1-B2，刹车电阻连接端子，请依选用表选购，P2-N,P2/B1-N刹车制动模组选择端。

常用的控制端子为：FWD （正转运转-停止指令），REV（反转运转-停止指令），JOG（寸动运转-停止指令），EF（外部异常输入），TRG（外部计数输入）[6]。

认真阅读说明书，选择相应的异步电机与其连接。

接线端子练好后，调试一下，看异步电机是否能正常工作，如果能，改变变频器的输出频率，观察异步电机的速度的变化。

2.3 伺服驱动器的功能介绍
在买伺服驱动器之前，要先对控制对象有一定的了解，比如所控制的电机型号，以此作为选型的依据。

安装时仔细阅读说明书，弄明白每根线的作用和接法。

一般伺服有三种控制方式：速度控制方式，转矩控制方式，位置控制方式。

在控制方式上用脉冲串和方向信号实现[7]。

速度控制和转矩控制都是用模拟量来控制的，位置控制是通过发脉冲来控制的。

具体采用什么样的控制方式要根据客户的需求，满足何种运动功能来选择。

例如，如果你对电机的速度和位置都没有什么要求，只需要一个恒转矩，那当然就要选择转矩模式。

如果对位置和速度有一定的精度要求，而对实时转矩不是很关心，用转矩模式不太方便，用速度或位置模式比较好。

如果上位控制器有比较好的闭环控制功能，用速度控制效果会好一点。

如果本身要求不是很高，或者，基本没有实时性的要求，用位置控制方式对上位控制器没有很高的要求。

就伺服驱动器的响应速度来看，转矩模式运算量最小，驱动器对控制信号的响应最快；位置模式运算量最大，驱动器对控制信号的响应最慢。

对运动中的动态性能有比较高的要求时，需要实时对电机进行调整。

那么如果控制器本身的运算速度很慢（比如PLC，或低端运动控制器），就用位置方式控制。

如果控制器运算速度比较快，可以用速度方式，把位置环从驱动器移到控制器上，减少驱动器的工作量，提高效率（比如大部分中高端运动控制器）；如果有更好的上位控制器，还可以用转矩方式控制，把速度环也从驱动器上移开，这一般只是高端专用控制器才能这么干，而且，这时完全不需要使用伺服电机。

换一种说法也就是：
（1）转矩控制：转矩控制方式是通过外部模拟量的输入或直接的地址的赋
值来设定电机轴对外的输出转矩的大小，具体表现为，例如10V对应5NM的话，当外部模拟量设定为5V时电机轴输出为2.5NM，如果电机轴负载低于2.5NM 时电机正转，外部负载等于2.5NM时电机不转，大于2.5NM时电机反转（通常在有重力负载的情况下产生）。

可以通过即时的改变模拟量的设定来改变设定的力矩大小，也可通过通讯方式改变对应的地址的数值来实现。

应用主要在对材质的受力有严格要求的缠绕和放卷的装置中，例如绕线装置或拉光纤设备，转矩的设定要根据缠绕的半径的变化随时更改以确保材质的受力不会随着缠绕半径的变化而改变。

（2）位置控制：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，所以一般应用于定位装置。

应用领域如数控机床、印刷机械等等[8]。

（3）速度模式：通过模拟量的输入或脉冲的频率都可以进行转动速度的控制，在有上位控制装置的外环PID控制时速度模式也可以进行定位，但必须把电机的位置信号或直接负载的位置信号给上位反馈以做运算用。

位置模式也支持直接负载外环检测位置信号，此时的电机轴端的编码器只检测电机转速，位置信号就由直接的最终负载端的检测装置来提供了，这样的优点在于可以减少中间传动过程中的误差，增加了整个系统的定位精度。

2.4 伺服电机的工作原理
交流伺服电动机定子的构造基本上与电容分相式单相异步电动机相似.其定子上装有两个位置互差90°的绕组，一个是励磁绕组Rf，它始终接在交流电压
Uf上；另一个
是控制绕组L，联接控制信号电压Uc。

所以交流伺服电动机又称两个伺服电动机[9]。

交流伺服电动机的转子通常做成鼠笼式，但为了使伺服电动机具有较宽的调速范围、线性的机械特性，无“自转”现象和快速响应的性能，它与普通电动机相比，应具有转子电阻大和转动惯量小这两个特点。

目前应用较多的转子结构有两种形式：一种是采用高电阻率的导电材料做成的高电阻率导条的鼠笼转子，为了减小转子的转动惯量，转子做得细长；另一种是采用铝合金制成的空心杯形转子，杯壁很薄，仅0.2-0.3mm，为了减小磁路的磁阻，要在空心杯形转子内放置固定的内定子.空心杯形转子的转动惯量很小，反应迅速，而且运转平稳，因此被广泛采用。

交流伺服电机的工作原理与分相式单项异步电动机虽然相似，但前者的转子电阻比后者大的多，所以伺服电机与单相异步电机相比有三个显著的特点[10]：
（1）启动转矩大
由于转子电阻大，它可使临界转差率SO>1，这样不仅使其机械特性更接近于线性，而且具有较大的启动转矩。

因此，当定子一有控制电压，转子立即转动，即具有启动快，灵敏度高的特点。

（2）运行范围广
（3）无自转现象
正常运转的伺服电机，只要失去控制电压，电机立即停止运转。

伺服主要靠脉冲来定位，基本上可以这样理解，伺服电机接收到1个脉冲，就会旋转1个脉冲对应的角度，从而实现位移，因为，伺服电机本身具备发出脉冲的功能，所以伺服电机每旋转一个角度，都会发出对应数量的脉冲，这样，和伺服电机接受的脉冲形成了呼应，或者叫闭环，如此一来，系统就会知道发了多少脉冲给伺服电机，同时又收了多少脉冲回来，这样，就能够很精确的控制电机的转动，从而实现精确的定位，可达到0.001mm。

直流伺服电机分为有刷和无刷电机。

有刷电机成本低，结构简单，启动转矩大，调速范围宽，控制容易，需要维护，但维护方便（换碳刷），产生电磁干扰，对环境有要求。

因此它可以用于对成本敏感的普通工业和民用场合。

交流伺服电动机在没有控制电压时，定子内只有励磁绕组产生的脉动磁场，转子静止不动。

当有控制电压时，定子内便产生一个旋转磁场，转子沿旋转磁场的方向旋转，在负载恒定的情况下，电动机的转速随控制电压的大小而变化，当控制电压的相位相反时，伺服电动机将反转。

2.5 人机界面的功能介绍
工业人机界面(Industrial Human-machine Interface 或简称Industrial HMI)是一种带微处理器的智能终端，一般用于工业场合，实现人和机器之间的信息交互，包括文字或图形显示以与输入等功能。

目前也有大量的工业人机界面因其成熟的人机界面技术和高可靠性而被广泛用于智能楼宇、智能家居、城市信息管理、医院信息管理等非工业领域，因此，工业人机界面正在向应用范围更广的高可靠性智能化信息终端发展[11]。

带旁路接
触器接线方案对于电动机负载长期大于40%的场合，应采用带旁路接触器的接线方案。

这样可以延长软启动器的寿命，避免对电网的谐波污染，还能减少软启动器的晶闸管热损耗。

根据功能的不同，工业人机界面习惯上被分为文本显示器、触摸屏人机界面和平板电脑三大类。

文本显示器一般采用单片机控制，图形化显示功能较弱，成本较低，适合低端的工业人机界面应用。

触摸屏人机界面采用较高等级的嵌入式电脑设计，目前比较流行的设计是采用32位的ARM微处理器，主频一般在100MHz以上，采用Linux或WinCE 等嵌入式操作系统。

触摸屏人机界面具备丰富的图形功能，能够实现各种需求的图形显示、数据存储、联网通讯等功能，且可靠性高，成本比平板电脑低，体积小，是工业场合的首选，近期也逐渐替代工业PC成为主流的智能化信息终端。

平板电脑是扁平设计的工业PC机，一般采用X86架构的设计，Windows XP操作系统，带触摸屏，CPU功能强大，可以完成大量的数据运算以与存储，缺点是成本较高，且部分带硬盘和风扇的设计降低系统可靠性。

台达触摸屏是一个使多媒体信息或控制改头换面的设备，它赋予多媒体系统以崭新的面貌，是极富吸引力的全新多媒体交互设备，触摸屏对于各种应用领域的电脑已经不再是可有可无的东西，而是必不可少的设备。

它极大的简化了计算机的使用，即使是对计算机一无所知的人，也照样能够自信，使计算机展现出更大的魅力。

解决了公共信息市场上计算机所无法解决的问题。

台达触摸屏由触摸检测部件和触摸屏控制器组成[12]；触摸检测部件安装在显示器屏幕前面，用于检测用户触摸位置，接受后送触摸屏控制器；而台达触摸屏控制器的主要作用是从触摸点检测装置上接收触摸信息，并将它转
换成触点坐标，再送给CPU，它同时能接收CPU发来的命令并加以执行。

按照台达触摸屏的工作原理和传输信息的介质，把台达触摸屏分为四种，它们分别为电阻式、电容感应式、红外线式以与表面声波式。

每一类触摸屏都有其各自的优缺点，要了解那种触摸屏适用于那种场合，关键就在于要懂得每一类触摸屏技术的工作原理和特点。

至于这四种不同触摸屏的工作原理读者可查阅相关的资料。

3 台达PLC控制系统的程序设计
3.1基本指令功能介绍
台达PLC有基本指令和应用指令，基本指令对所有的台达PLC都适用，只是输入输出的点数的不同，基本指令很重要，下面我就用表格的形式为读者列出其基本指令与其使用范围。

表1：载入接点
表2：串联接点
3：并联接点
表
表4：输出驱动线圈
表5：复位置位指令
对于计数器指令有16位和32位两种，读者可根据自己的需要选择，本人在做此设计时选择32计数器，而定时器只有16位的，但有掉电保持和不保持的区别，还有时基的区别，例如有时基1ms,10ms,100ms的，我此次选用的定时器时基为1ms,所用的定时器为T246，时基的选择需要读者根据自己的控制要求来选择。

如果定时时间比较长则可选择时基大的，否则就取小的。

计数器有普通计数器和高速计数器的区别，在采集旋转编码器的脉冲时要选择高速计数器，否则将会出现计数混乱等问题，把旋转编码器的脉冲信号通过X0和X1送给PLC去处理，对于计数器和定时器指令我简单介绍一下，详见如下表格所示。

表6：定时计数基本指令功能介绍
其余指令读者查阅相关资料进行了解，在此不做过多描述。

3.2 应用指令功能介绍
在介绍完基本指令之后我们已基本掌握台达PLC的一些基本性能，但若要满足工程需要，仅靠这些基本指令是很难达到的，需要我们对台达PLC的应用指令要有深刻的理解。

台达PLC提供了内容丰富的应用指令供读者选择，由于篇幅有限，在此我只对此设计用到的应用指令做出一些描述。

描述如下：
（1）比较指令
S1：比较值1。

S2：比较值2。

D:比较结果。

将操作数S1和S2的内容作大小比较，其比较结果在D作表示。

例如下面图1所示的比较指令的应用程序：
图1：比较指令应用程序
当K0>D0现在值时，M0为ON。

当K0=D0现在值时，M1为ON。

当K0<D0现在值时，M2为ON。

也即会使相对应的输出Y0，Y1，Y2为ON。

（2）BIN乘法指令
DMUL S1S2D
S1：被乘数。

S2：乘数。

D：积。

将两个数据源S1与S2以有号数二进制方式相乘后积存于D。

（3）BIN减法指令
DSUB S1S2D
S1：被减数。

S2：减数。

D：差。

将两个数据源S1与S2以BIN方式相减的结果存于D。

4）BIN除法指令
DDIV S1S2D
S1：被除数。

S2：除数。

D:商与余数。

将两个数据源以有号数二进制方式相除后的商与余数存于D。

5）脉冲输出指令
S1：脉冲输出频率。

S2：脉冲输出数目。

D:脉冲输出装置。

各种不同型号的机子允许输出的最大脉冲频率是不一样的，这需要读者根据自己设计内容的需要选择机型，选择机型很重要，只有机型选对啦，在以后的设计过程中才会游刃有余。

下面我以一个表格7的形式对各种机型允许输出的频率范围介绍一下。

表7：各机型频率输出参照表
6）附加减速脉冲输出
S1：脉冲输出的最大频率值。

S2：全部脉冲输出的总脉冲数。

S3：加减数的时间。

D：脉冲输出装置。

（请使用输出模块为晶体管输出）。

3.3 程序的设计思路
在拿到一个题目后，要对题目的要求有个全盘的理解，只有在这个理解的基础上才能做一下的工作，具体的设计流程如下：
（1）认真审题，选择机型。

（2）分配端口，寄存器，画出简单的电路图。

（3）搭建硬件电路图，做出控制柜。

（4）设置参数，编写程序，调试运行。

（5）整理文件，写论文。

在选择机型时我们根据实验室内的两种机型进行比较，我们实验室有ES和EH 两种机型，而ES型的脉冲输出频率比较低，不能满足伺服运动的需求，因此选择输出频率较大的EH机型，并且选择晶体管输出的形式，不要选错。

随后是分配内部寄存器，输入输出点的分配等，在分配完之后开始搭建控制台，搭建控制台时要考虑部件的散热和运行的稳定性与尺寸等问题。

搭建好后开始编写程序，并不断的调试运行，直到达到要求。

我们此次的设计主要是实现伺服电机的正反转控制与伺服电机跟踪异步电机的控制，以与伺服电机的加减速控制。

对于伺服电机的正反转很容易实现，由Y0端控制电机速度，Y1端控制方向，只要硬件电路搭建的不错，实现电机的正反转是很容易的，调用一条PLSY指令即可。

对于电机的加减速运动也很简单，只需要一条PLSR指令，设定好速度和时间后即可实现电机的加减速控制。

此次设计的重难点也就是跟随功能，异步电机由台达变频器控制，通过改变频率来改变异步电机的速度。

然后通过增量式旋转编码器[13]来间接测出异步电机的速度，
旋转编码器转动一圈发出1000个脉冲，不过当旋转编码器发出的脉冲送到PLC 的高速计数端的时候高速计数端计的数目不一定是1000，这个还受到计数行为模式的选择，最主要的是倍频模式，出厂时默认为二倍频，所以高速计数端在旋转编码器转动一圈时会计2000个脉冲，读者可根据控制需要选择不同的倍频模式，如果设定一定的采样时间，根据单位时间内脉冲的变化快慢就可以通过一定的数学运算转化为速度，然后要对伺服电机的性能进行了解，要清楚其转动一圈需要多少脉冲，设定一定的脉冲频率时转动速度为多少，比如当脉冲频率设定为10000时，速度为60r/min。

通过高度计数端所测得的数据得出异步电机的速度，再把这个速度转化为伺服电机的速度，也即是需要的脉冲频率。

大概的设计思路明了后就可以编写程序啦，，可先写一小部分，当这一小部分程序的功能实现后再接着往下做。

同时伺服驱动器内的参数也要设置正确，下面我列出此次设计中我设定的几个伺服驱动器内的参数[14],如下表8。

表8：驱动器内部参数设定
3.4 程序的各个模块功能介绍
针对题目的要求和我的设计思路我开始编程，在开始编程时我是先实现最简单的功能，比如先让电机转起来，只要电机能转起来，再根据电机转动时所表现出的特性来调节程序以满足各个方面的需求，再编程之前编程软件要装好，所需的线。