基于PLC的伺服系统的运动控制系统设计

摘要

本文采用运动控制系统，完成三菱电机杯竞赛的关于伺服电机如何实现系统的运动控制系统。运动控制模型包括：安装台面、XY伺服轴、旋转工作盘三大部分。

运动控制 (Motion Control)通常是指在复杂条件下,将预定的控制方案、规划指令转变成期望的机械运动,实现机械运动精确的位置控制、速度控制加速度控制、转矩或力的控制。该系统由两工位运动控制系统组成：2套伺服放大器及伺服电机、QD75系统模块、变频器、三菱可编程序控制器、触摸屏等组成。

通过个人计算机与PLC通讯输入运行程序，设定运行参数后，QD75P2系统模块控制伺服放大器的输出，之后伺服放大器给伺服电机输出信号，伺服电机反馈信号到伺服放大器，从而驱动跟踪圆盘上的磁珠转动；负载圆盘是通过变频器控制的三相异步电动机控制运行速度。工作盘是由交流变频控制，工作盘上可用双面胶固定多个磁钢（?）；图中上端为XY十字工作台（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；X轴平面装有霍尔传感器；上方为旋转工作台，工作盘由交流电机（电机的速度由变频器控制）带着转动工作时，在工作盘放入磁钢，当工作盘转动时，X轴上部安装的传感器须一直能够对应到磁钢（XY轴随动，传感器保持检测到磁钢而不脱开）。

构建“PLC+伺服放大器+伺服电机+触摸屏”的运动控制系统。

电气运动控制是由电力拖动发展而来的,电力拖动或电气传动是对以电动机为对象的控制系统的通称。从电力拖动开始,经历四十多年的发展过程,现代运动控制已成为一个以控制理论为基础，涵盖电机技术、电力电子技术（电力电子器件、电力电子线路）、微电子技术、传感器检测技术、信息处理技术、自动控制技术、微计算机技术和计算机仿真和辅助制造（CAM）技术等许多学科 ,且多种不同学科交叉应用的控制技术。

运动控制系统多种多样,但从基本结构上看,一个典型的现代运动控制系统的硬件主要由上位计算机、运动控制器、功率驱动装置、电动机、执行机构和传感器反馈检测装置等部分组成。其中的运动控制器是指以中央逻辑控制单元为核心,以传感器为信号敏感元件,以电机或动力装置和执行单元为控制对象的一种控制装置它的主要任务是根据运动控制的的逻辑、数学运算,为电机或其它动力和执行装置提供正确的控制信号。

关键词：伺服电机；系统；控制

目录

第一章绪论 (1)

1.1伺服系统的研究背景及意义

1.2 私服系统的发展

1.3 伺服系统的国内外研究现状

1.4课题研究目的

第二章系统总体设计方案 (5)

2.1 系统总体设计

2.2 各功能模块概述

2.2.1.三菱可编程控制器PLC

2.2.2.三菱触摸屏GOT

2.2.

3.三菱QD75系统模块

2.2.4.三菱变频器FR-E700

2.2.5.三菱伺服放大器+伺服电机

2.2.6.三菱DA转换模块

第三章系统的设计 (8)

3.1.系统硬件构建

3.2.系统软件设计

3.2.1工作流程图

3.2.2主要软元件配置

3.2.3程序分析与设计

3.3.变频器的配置参数

3.4.伺服系统的配置参数

3.5.触摸屏的编制

第四章系统调试 (23)

第五章总结 (24)

附录 (25)

参考文献 (27)

第一章绪论

1.1 伺服系统的研究意义

伺服系统是使物体的位置、方位、状态等输出被控量能够跟随输入目标或给定值任意变化的自动控制系统，是控制理论、电力电子技术、电机技术、微电子技术、检测技术等学科相互发展融合的产物，是自动化学科及工业生产领域重要的分支。在机械制造行业、冶金工业，交通运输以及军事上都得到了广泛的应用。

伺服系统强调对控制命令的快速跟踪和响应，所以伺服控制系统可以认为是随动控制系统，既可以是转速的随动控制，也可以是位置的随动控制。在广义的角度上看，电动机的调速系统也可以认为是伺服控制的一种，只不过在调速系统中，强调的被调量是电动机的转速，更加有效的实现功率变换。而伺服系统则强调忠实跟踪给定信号，即按控制器发出的控制命令而动作，并产生足够的力或力矩，使被驱动的机械获得期望的运动速度和位姿。

伺服系统的发展经历了由液压伺服到电气伺服的过程。在电气伺服系统中，按驱动装置的执行元件电动机类型来分，通常分为直流伺服系统和交流伺服系统两大类。六十年代以后，特别是七十年代以来，随着电力电子学、微电子学、传感技术、永磁技术和控制理论的惊人发展，尤其是先进控制策略的成功应用，交流伺服系统的研究和应用取得了举世瞩目的发展，己具备良好的技术性能，其动、静态特性已完全可与直流伺服系统相媲美，交流伺服系统取代直流伺服系统己成定局。其中交流永磁同步电机 (PMSM)又以其结构简单、气隙磁密高、功率密度大、转动惯量小的优点，成为研究的热点。和直流电机相比，交流永磁同步电机没有直流电机的换向器和电刷等缺点，和其他类型交流电动机相比，它由于没有励磁电流，因而功率因数高，力矩惯量比大，定子电流和定子电阻损耗减小，且转子参数可测、控制性能好。现已广泛用于数控机床、工业机器人、超大规模集成电路制造、柔性制造系统、载人宇宙飞船、电动工具以及家用电器等高科技领域。

另一方面，高速数字信号处理芯片(DSP) 的快速发展也对伺服系统的发展起到了推动作用。DSP强大的数据处理能力和高运行速度使得先进的控制技术如矢量控制、直接转矩控制等得以实现。并且DSP芯片内部集成了A/D转换、数字输入/输出、串口通信、电机控制PWM信号输出等接口，使得伺服系统硬件设计更加灵活、简易。

鉴于以上情况，本文对基于DSP的永磁同步伺服电机的速度伺服系统进行了研究。对交流伺服系统的深入研究，对于我国制造业，国防工业，空间技术的发展，缩

小与世界先进国家的差距，能源节约都有着重要的意义。

1.2 伺服系统的发展

电机控制系统按照驱动电机的类型主要分为直流传动系统和交流传动系统。在70年代直流伺服电机己经实用化了，在各类机电一体化产品中，大量使用着各种结构的直流伺服电动机。传统直流电动机采用的是机械式换向且存在电刷，使其在应用过程中面临着以下一些难以克服的缺点: (1）维护工作量大、维护成本高； (2) 使用寿命短、可靠性低； (3) 结构复杂、体积大、转动惯量大、响应速度慢； (4) 易对其它设备产生干扰、现场环境适应能力差；从而极大地限制了其在高精度、高性能要求的伺服驱动场合的应用。而交流传动系统的执行机构一般采用感应电机和同步电机。感应电动机，特别是鼠笼型异步电动机一直是传统驱动系统的执行元件，其结构简单、价格便宜、效率较高，但存在着散热和参数容易波动等问题。感应式异步伺服电动机制造容易、价格低，不需要特殊维护。但控制上采用矢量变换控制，因而系统比较复杂。转子电阻随温度变化而影响磁场定向的准确性。同时，低速运行时发热比较严重，而低速运行又往往是机床进给机构经常所处的运行状态。这种类型的交流伺服系统容易进行弱磁控制，实现高速运行，这是一个显著的特点。在交流伺服系统的发展初期，感应式异步电动机交流伺服系统曾一度得到发展和应用，但由于存在上述一些问题，这种系统在机床的进给机构驱动中并未得到普遍的应用。与感应电机相比，由于永磁同步电机具有结构简单、体积小、效率高、功率因数高、转矩电流比高、转动惯量低、易于散热及维护保养等优点特别是随着永磁材料价格的下降、材料磁性能的提高，以及新型永磁材料的出现，在中小功率、高精度、高可靠性、宽调速范围的伺服系统中以永磁同步电机作为执行机构是越来越多，其应用领域逐步推广，尤其在航空、航大、数控机床、加工中心、机器人等场合已获得广泛的应用。

1.3 伺服系统的国内外发展现状

以前对永磁同步电机的研究由于条件的限制主要停留在固定频率下对电

机运行状态的控制研究，主要针对是电机速度稳定以后的一些特性的研究以及在起动过程中的变化性能研究。同步电机起动时是通过对三相绕组供电产生磁场从而先提供了转矩来对转子实现加速，并且逐渐将转子速度与输入的电压频率同步，从而实现了电机的同步旋转。

1980年以后随着逆变器的发展壮大，国外的一些科研工作者把目光投向利用逆变器对永磁同步电机的控制。逆变器供电的永磁同步电机与直接起动的永磁同步电机的结构基本相同，但在大多数情况下无阻尼绕组。在逆变器供电情况下，永磁同步电机

的原有特性将会受到影响，其稳态特性和暂态特性与恒定频率下的永磁同步电机相比有不同的特点。

随着对永磁同步电机调速系统性能要求的不断提高，需要设计出高效率、高力矩惯量比、高能量密度的永磁同步电机，G.R.Slemon等人针对调速系统快速动态性能和高效率的要求，提出了现代永磁同步电机的设计方法。

80年代以来，国外很多大公司，如美国的AE公司、德国的西门子公司、科尔摩根公司，日本的富士通、松下、安川等对交流伺服控制器作了深入的研究，并推出一系列的产品，和国内相比领先一步并占据多年的交流伺服驱动市场。为了打破这种局面，而后在我国的各个大学及研究所加强对这方面的研发和投入，以华中科技大学为首的高校、以北京机床研究所、中科院沈阳自动化研究所为主的国家高科技研究所等也逐步开始研究伺服驱动控制器，而且小有成果，适时地推出我们自主研发的交流伺服系统，这样才彻底打破了坚冰，结束了外国公司一统天下的局面。但是在国内毕竟伺服驱动仍然是一个难题，也只有少数有能力单位才能开发以正弦波为反电动势的永磁伺服系统而且只能做成小功率级的，不能满足大型工业控制的要求，很多高科技企业由于多种原因的制约，其生产地东西是以无刷直流伺服系统为主，定位在低端用户上，可靠性较差，并不能完全满足要求。在技术壁垒的妨碍下，我国当时在高性能、大功率、高精度的正弦波PMSM电机伺服系统研发方面显得很苍白，无法和日本，德国，美国的大公司相竞争，从而导致国内大型性能高的永磁伺服市场被这些公司占据。这样看来，尽管取得了一些成绩，但是我国伺服控制器的研发及设计还在起步阶段，和外国先进技术厂商和集团企业里还有很大的差距，尤其是在控制算法上海需要更多人的努力，一些先进技矢量控制方法还落后很多，以至于控制效率不高。在这里，就需要国内从事这方面开发的技术骨干能够加倍努力，奋勇前进，为集体为国家在交流伺服驱动的领域里打下中国人的印记，最终在世界伺服控制的领域占据一席之地。

1.4课题研究目的

加强当代大学生创新意识、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，促进学生基础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)有限公司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。作为全球自动化领域的领导厂商，三菱电机以其优秀的自动化产品和技术服务于全

球各行业用户。在中国，三菱电机是最早进入的国际品牌之一，三菱电机的自动化产品正广泛应用于中国的各行各业。如今，成千上万的三菱PLC、变频器、伺服、CNC、网络化控制系统、低压电器等产品在中国工业的各个领域运行良好，为中国经济发展做出了杰出贡献。

本次自动化系统应用竞赛，旨在促进大学生工程应用能力的提高；激发当代大学生学习工程技术的兴趣；培养创新能力、协作精神；提高自我管理能力、沟通技巧；体现“学以致用”的理念；考核学生的实际制作与调试技能；加强校际交流、校企合作。

第二章系统总体设计方案

2.1伺服系统的总体设计

整个系统应该包含系统组成、设计、调试、总结等部分。系统组成部分要包含整个控制系统中所用到的各个设备，系统设计部分需包含系统硬件设计、软件设计、变频器的配置参数、伺服系统的配置参数以及触摸屏的编制。

实现过程：通过个人计算机与PLC通讯输入运行程序，设定运行参数后，QD75P2系统模块控制伺服放大器的输出，之后伺服放大器给伺服电机输出信号，伺服电机反馈信号到伺服放大器，从而驱动跟踪圆盘上的磁珠转动；负载圆盘是通过变频器控制的三相异步电动机控制运行速度。工作盘是由交流变频控制，工作盘上可用双面胶固定多个磁钢（?）；图中上端为XY十字工作台（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；X轴平面装有霍尔传感器；上方为旋转工作台，工作盘由交流电机（电机的速度由变频器控制）带着转动工作时，在工作盘放入磁钢，当工作盘转动时，X轴上部安装的传感器须一直能够对应到磁钢（XY轴随动，传感器保持检测到磁钢而不脱开）。

构建“PLC+伺服放大器+伺服电机+触摸屏”的运动控制系统。

2.2各功能模块概述

2.2.1 可编程控制器PLC

三菱机公司推出的大型PLC,CPU类型有基本型CPU，高性能型CPU，过程控制CPU,运动控制CPU, 冗余CPU等。可以满足各种复杂的控制需求。三菱电机中G事业的快速发展，为了更好地满足国内用户对三菱PLC Q系列产品高性能、低成本的要求，三菱电机自动化特推出经济型QUTE SET型PLC，即一款以自带64点高密度混合单元

的5槽Q00JCOU SET；另一款自带2块16点开关量输入及2块16点开关量输出的8槽Q00JCPU-S8 SET，其性能指标与Q00J完全兼容，也完全支持GX-Developer等软件，故具有极佳的性价比。

它具有可靠性高，抗干扰能力强，配套齐全，功能完善，适用性强，易学易用，深受工程技术人员欢迎，系统设计周期短，维护方便，改造容易，体积小，重量轻，能耗底等特点。使用的与Q系列的CPU连接的软件是：GX-Developer。

2.2.2HMI-触摸屏GOT

三菱触摸屏是三菱电机自动化产品中重要的产品线。电子微电技术飞速发展，工程师到现场作业人员对人机交互的要求日益提高。触摸屏从一般通用机械到大型复杂的控制系统得到了广泛应用。三菱触摸屏以其高性能，适中的价格应和了中G工控行业的需要，在国内得到了广泛的应用。三菱触摸屏产品在中G得到了不断的发展。今年在中G地区与全球同步推出了性能更高，世界范围内技术领先的新型人机界面

GT1000系列。

F900系列三菱触摸屏:是三菱电机公司推出小型高性能触摸屏，体积小巧性能可靠，在小型机械电子设备中得到了广泛的应用。

A900系列三菱触摸屏:有256色，16色，8色等多种机型，供不同需要的用户选择。显示效果出众，有良好的通讯兼容性。深受中G用户喜爱。

GOT1000系列:是三菱电机公司最新隆重推出新一代人机界面产品。显示·运算·通讯，综合性能的高速化性能全面提升。GOT1000又分为GT15系列和GT11系列两个系列。其中GT15为高性能机型，GT11为基本功能机型。它们均采用64位处理器，内置有USB接口。对应GOT1000系列的画面设计软件为GT Designer2 Version2软件。

在本次方案设计中采用三菱公司GT1155-QSBD-C，一个带触摸屏的彩色（液晶）显示器，可以自由布置各种显示及控制器件，方便明了，不仅取代了常规主令控制器件，省去PLC的输入输出点连接，实现人机对话，而且具有界面外观新颖，在应用中还可以进行多屏画面的切换，展现各种图案和信息量。

2.2.3QD75系统模块

2.2.3变频器

交流变频调速日益完善，调速方便简单成为电机调速主流。三菱变频器以其高性能，适中的价格应和了中G工控行业的需要，在国内得到了广泛的应用。节能的需要为三菱变频器的应用带来了巨大的契机，三菱变频驱动产品在中G得到了更大的发展。三菱变频器主要有以下几个系列：

FR-S500系列变频器:三菱电机公司推出的简单易用型变频器，广泛就用于一般调速场合。可以提供RS-485通信功能。具有极高的性价比。

FR-E500系列三菱变频器:一款小型高性能通用型变频器，采用磁通矢量控制可以实现1HZ运行150%转距输出，内置RS-485通信接口，柔性PWM实现低噪音运行。

FR-A700系列三菱变频器:三菱电机公司推出的新一代多功能重负载用变频器。发挥无传感器矢量控制最高性能，采用了长寿命设计，网络功能更加丰富，支持支持CC-LINK通讯（选件）SSCNETⅢ（选件）RS-485通讯及各种主要网络（Device-Net,Profibus-DP）。

在本次方案中采用三菱公司FR-E700，控制负载圆盘的运行速度，其结构简单、可靠性强、调速范围宽等。

2.2.5伺服系统系统

由个人计算机、可编程控制器、伺服电机、伺服放大器构成，通过计算机对PLC 进行控制，由PLC输入信号给伺服放大器进一步实现对伺服电机的控制，从而达到运动控制的目的。

2.2.6 D/A转换模块

将来自可编程控制器的数值转换成模拟量值（电压）并输出的模拟量特殊功能模块。本次所用的是Q00J-Q62DAN。

第三章系统设计

3.1 系统硬件构建

根据本次创新大赛的要求，始终本着满足安全、可靠的基本控制原则完成设计。

1）系统模型（见下图3-1所示）

图3-1 系统模型

2）主电路图

a.系统控制装置主电路如图3-2所示。

图3-2 运动控制装置电气原理图

b．系统的电气控制接线图（如图3-3所示）。

图3-3整个系统的电气控制接线图

c.电气布置图

图3-4 电气布置图

3. 2 系统软件设计

1）软件设计主要是程序的编制。在编写程序之前，必须新建工程，如图4-5所

示。

图3-5创建新工程

新工程创建完成后，GX软件I/O参数设置点击参数→PLC参数→I/O分配，根据控制台上的PLC模块选择PLC“类型”然后根据点数写“起始XY”。如图2-6所示：

图3-6 GX软件I/O参数设置

2）D/A转换模块的主要性能参数设定见表3-1：

表3-1：D/A 转换模块的主要性能参数

另外，D/A 模块的编写程序时，对于参数设置应在GX Developer 软中加以设置，如图3-7

所示：

图3-7 D/A 参数设置

项目 参数

备注

电压输入 电流输入 输入点数 2通道

通道输入方式必须一致

输入要求 DC -10V~10V DC 4-20mA 输入超限会报错

输入极限 DC -12V~12V

DC 21mA

I/O 点数 2点

编程指令

TO

3.2.1 系统工作流程图

1) 如图3-8所示是运动控制显示系统正常运行时的流程图。

图3-8工作流程图

3.2.2 PLC系统编程主要软元件配置见表3-2。

表3-2：主要软元件配置

模块编号软元件地址作用备注

1 SM400 PLC准备就绪

2 X0 QD75准备就绪

3 X1 同步标志

4 X20 正转

5 X21 反转

6 X23 复位

6 X24 紧急停止

7 X28 伺服电机运动方向：上

8 X29 伺服电机运动方向：下

9 X2A 伺服电机运动方向：左

10 X2B 伺服电机运动方向：右

11 Y4 轴一停止

12 Y5 轴二停止

3.2.3程序分析与设计

工作程序共分为六大块：

a.程序初始化

QD75模块在0通道，PLC的CPU先向QD75发送Y0信号，表示PLC准备PLC完成，然后QD75反馈信号X0、X1表明QD75准备就绪和同步完成。中间通过紧急停止Y24的常闭按钮，输出Y40、Y41两个继电器。表明软件和硬件全部准备完成。

b.速度选择

通过X25、X26、X27三个开关选择低速、中速、高速写入到速度存储D60中，后面通过M550把D60中的数据写入K1518、K1618两个轴的jog速度。在通过D61显示在触摸屏上对应的轴一轴二的速度。