PLC控制伺服电机总结要点.docx
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PLC控制伺服电机总结要点
第1章PLC基础知识
1.1PLC简介
1.1.1PLC的定义
PLC(Programmable Logic Controller)是一种以计算机(微处理器)为核心的通用工业控
制装置,专为工业环境下应用而设计的一种数字运算操作的电子学系统。
目前已经广泛地`
应用于工业生产的各个领域。
早期的可编程序控制器只能用于开关量的逻辑控制,被称为
可编程序逻辑控制器(Programmable Logic Controller),简称 PC。
现代可编程序控制器采
用微处理(Microprocessor)作为中央处理单元,其功能大大增强,它不仅具有逻辑控制功
能,还具有算术运算、模拟量处理和通信联网等功能。
PLC 的高可靠性到目前为止没有任
何一种工业控制设备可以达到,PLC 对环境的要求较低,与其它装置的外部连线和电平转
换极少,可直接接各种不同类型的接触器或电磁阀等。
这样看来,PC这一名称已经不能准确反映它的特性,于是,人们将其称为可编程序
控制器(Programmable Controller),简称PLC。
但是近年来个人计算机(Personal
Computer)也简称PLC,为了避免混淆,可编程序控制器常被称为PLC。
1.1.2PLC的产生和发展
在 PLC 出现之前,机械控制及工业生产控制是用工业继电器实现的。
在一个复杂的控
制系统中,可能要使用成千上百个各式各样的继电器,接线、安装的工作量很大。
如果控
制工艺及要求发生变化,控制柜内的元件和接线也需要作相应的改动,但是这种改造往往
费用高、工期长。
在一个复杂的继电器控制系统中,如果有一个继电器损坏、甚至某一个
继电器的某一点接触点不良,都会导致整个系统工作不正常,由于元件多、线路复杂,查
找和排除故障往往很困难。
继电器控制的这些固有缺点,各日新月异的工业生产带来了不
可逾越的障碍。
由此,人们产生了一种寻求新型控制装置的想法。
1968 年,美国最大的汽车制造商通用汽车公司(GM 公司)为了适应汽车型号不断翻
新的要求,提出如下设想:
能否把计算机功能完备、灵活、通用等优点和继电器控制系统
的简单易懂、操作方便、价格便宜等优点结合起来,做成一种通用控制装置,并把计算机
的编程方法合成程序输入方式加以简化,用面向过程、面向问题的“自然语言”编程,使
得不熟悉计算机的人也可以方便使用。
这样,使用人员不必在编程上花费大量的精力,而
是集中力量去考虑如何发挥该装置的功能和作用。
这一设想提出之后,美国数字设备公司
(DEC 公司)首先响应,于 1969 年研制出了世界上第一台 PLC。
此后,这项新技术就迅
速发展起来。
PLC 的发展过程大致如下:
第一代:
从第一台可编程序控制器诞生到 70 年代初期。
其特点是:
CPU 有中小型规
模集成电路组成,存储器为磁芯存储器;功能简单,主要能完成条件、定时、计数控制;
机种单一,没有形成系列;可靠性略高于继电接触器系统;没有成型的编程语言。
0
第二代:
70 年代初期到 70 年代末期。
其特点是:
CPU 采用微处理器,存储器采用
EPROM,使 PLC 的技术得到了较大的发展:
PLC 具有了逻辑运算、定时、计数、数值计
算、数据处理、计算机接口和模拟量控制等功能:
软件上开发出自诊断程序,可靠性进一
步提高;系统开始向标准化、系统化发展;结构上开始有整体式和模块式的区分,整体功
能从专用向通用过渡。
第三代:
70 年代末期到 80 年代中期。
单片计算机的出现、半导体存储器进入了工业
化生产及大规模集成电路的使用,推进了 PLC 的进一步发展,使其演变成专用的工业化
计算机。
其特点是:
CPU 采用 8 位和 16 位微处理器,使 PLC 的功能和处理速度大大增强;
具有通信功能远程 I/O 能力;增加了多种特殊功能;自诊断功能及容错技术发展迅速;软
件方面开发了面向过程的梯形图语言及其变相的语句表(也称逻辑符号);PLC 的体积进
一步缩小,可靠性大大提高,成本大型化、低成本。
第四代:
80 年代中期到 90 年代中期。
随着计算机技术的飞速发展,促进 PLC 完全计
算机化。
PLC 全面使用 8 位、16 位微处理芯片的位片式芯片,处理速度也达到 1 微秒/步。
功能上具有高速计数、中断、A/D、D/A、PID 等,已能满足过程控制的要求,同时加强了
联网的能力。
第五代:
90 年代中期至今。
RISC(简称指令系统 CPU)芯片在计算机行业大量使用,
表面贴装技术和工艺已成熟,使 PLC 整机的体积大大缩小,PLC 使用 16 位和 32 位的微处
理器芯片。
CPU 芯片也向专用化发展。
具有强大的数值运算、函数运算和大批量数据处理
能力;已开发出各种智能化模块;以 LCD 微现实的人机智能接口普遍使用,高级的已发
展到触摸式屏幕;除手持式编程器外,大量使用了笔记本电脑和功能强大的编程软件。
目前,为了适应大中型小企业的不同需要,进一步扩大 PLC 在工业自动化领域的应用
范围,PLC 正朝着以下两个方向发展:
其一:
小型 PLC 向体积缩小、功能增强、速度加快、价格低廉的方向发展,使之能更
加广泛地取代继电器控制。
其二:
大中型 PLC 向大容量、高可靠性、高速度、多功能、网络化的方向发展,使之
能对大规模、复杂系统进行综合性的自动控制。
总的趋势是:
(1) 中央处理单元处理速度进一步加快。
(2) 控制系统将分散化。
(3) 可靠性进一步提高。
(4) 控制与管理功能一体化。
1.2PLC的构成
PLC 的硬件主要由 CPU 模块、I/O 端口组成。
1) 中央处理单元 CPU 是 PLC 的核心,它是运算、控制中心,将完成以下任务:
(1) 接受并存储用户程序和数据。
(2) 诊断工作状态。
1
(3) 接受输入信号,送入 PLC 的数据寄存器保存起来。
(4) 读取用户程序,进行解释和执行,完成用户程序中规定的各种操作。
2)PLC 中的存储器分为系统程序存储器和用户程序存储器
3) I/O 接口模块的作用是将工业现场装置与 CPU 模块连接起来,包括开关量 I/O 接
口模块、模拟量 I/O 接口模块、智能 I/O 接口模块以及外设通讯接口模块等。
图 1-1 为 PLC 的硬件组成框图:
主机
电源
输
入
信
号
编程器
输
入
单
元
外
设
接
口
EPROM
(系统程序)
CPU
存储器
RAM
(用户程序)
输
出
单
元
I/O
扩
展
口
输
出
信
号
I/O
扩
展
单
元
图 1-1
1.3PLC 的工作原理
PLC 工作过程一般可分为输入采样,程序执行和输出刷新三个主要阶段。
PLC 按顺序
采样所有输入信号并读入到输入映像寄存器中存储,在 PLC 执行程序时被使用,通过对当
前输入输出映像寄存器中的数据进行运算处理,再将其结果写入输出映像寄存器中保存,
当 PLC 刷新输出锁存器时被用作驱动用户设备,至此完成一个扫描周期。
PLC 的扫描周期
一般在 100 毫秒以内。
PLC 程序的易修改性,可靠性,通用性,易扩展性,易维护性可和
计算机程序相媲美,再加上其体积小,重量轻,安装调试方便,使其设计加工周期大为缩
短,维修也方便,还可重复利用。
PLC 的循环扫描工作过程见图 1-2。
2
初始化
硬件、内存检查
异常
检查结果正常?
正常
扫描周期监视时间预置
设置各异常继电器
执行用户程序
异常或警告
警告
异常
程序结束?
YES
扫描周期固定值
有固定值设置?
NO
无
有
等待知道设定的扫描周期为之止
算出扫描周期
输入触点输出继电器
输出继电器输出触点
外设端口服务
图 1-2
3
第2章伺服系统
2.1伺服电机种类及结构特点
“伺服”一词源于希腊语“奴隶”的意思 。
人们想把“伺服机构”当个得心应手的驯服工具,
服从控制信号的要求而动作。
在讯号来到之前,转子静止不动;讯号来到之后,转子立即
转动;当讯号消失,转子能即时自行停转。
由于它的“伺服”性能,因此而得名伺服系统。
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值(或给定值)
的任意变化的自动控制系统。
伺服的主要任务是按控制命令的要求,对功率进行放大、变换与调控等处理,使驱动装置
输出的力矩、速度和位置控制得非常灵活方便。
通常根据伺服驱动器的种类来分类,有电气式、油压式或电气—油压式三种。
伺服系
统若按功能来分,则有计量伺服和功率伺服系统;模拟伺服和功率伺服系统;位置伺服和
加速度伺服系统等。
电气式伺服系统根据电气信号可分为 DC 直流伺服系统和 AC 交流伺服系统二大类。
AC 交
流伺服系统又有异步电机伺服系统和同步电机伺服系统两种
电气伺服技术应用最广,主要原因是控制方便,灵活,容易获得驱动能源,没有公害
污染,维护也比较容易。
特别是随着电子技术和计算机软件技术的发展,它为电气伺服技
术的发展提供了广阔的前景。
早在 70 年代,小惯量的伺服直流电动机已经实用化了。
到了 70 年代末期交流伺服系统开
始发展,逐步实用化,AC 伺服电动机的应用越来越广,并且还有取代 DC 伺服系统的趋势
成为电气伺服系统的主流。
目前交流伺服电动机分为两种:
同步型和感应型。
同步型(SM):
采用永磁结构的同步电动机,又称为无刷直流伺服电动机。
其特点:
(1) 无接触换向部件。
(2) 需要磁极位置监测器(如编码器)。
(3) 具有直流伺服电动机的全部优点。
感应型(IM):
指笼型感应电动机。
其特点:
(1) 对定子电流的激励分量和转矩分量分别控制。
(2) 具有直流伺服电动机的全部优点。
伺服系统由位置检测部分、误差放大部分、执行部分及被控对象组成。
采用了全封闭
无刷结构,以适应实际生产环境不需要定期检查和维修。
其定子省去了铸件壳体,结构紧
凑、外形小、重量轻。
定子铁心较一般电动机开槽多且深,散热效果好,因而传给机械部
分的热量小,提高了整个系统的可靠性。
转子采用具有精密磁极形状的永久磁铁,因而可
实现高转矩/惯量比,动态响应好,运行平稳。
转轴安装有高精度的脉冲编码器作检测元件。
因此交流伺服电动机以其高性能、大容量日益受到广泛的重视和应用。
4
2.2交流伺服电机的控制方法
这里只介绍一种 IM 型伺服电机的控制方法:
SPWM(脉宽调制变频)变频调速。
这
是最近发展起来的,其触发电路是一系列频率可调的脉冲波,脉冲的幅值恒定而宽度可调,
因而可以根据 U1/f1 比值在变频的同时改变电压,并可按一定规律调制脉冲宽度,如按正弦
波规律调制,这就是 SPWM 变频调速。
SPWM 变频的工作原理可用图 2-1 加以说明。
u
0
u
x wt
0
x wt
图 2-1
若希望变频输出为图 2-1 所示正弦波电压,则它可以用一系列幅值不变的矩形脉冲来
等效,只要对应时间间隔内的矩形脉冲的面积和正弦波与横轴包含的面相等即可。
单位周
波内的脉冲数越多,等效的精度越高,谐波分量也越小。
SPWM 变频调速系统的组成和线路比较复杂,现在已经有专用的 SPWM 集成组件供
选择,如英国的 HEF4752KV,功能齐全,为工程人员提供了方便。
5
L1
主电路电源输入端
L2
1
抑制电源谐波用直流电抗器
连接端子
2
L1C
控制电源输入端子
L2C
B1
外置再生电阻连接端子
B2
U
马达连接端子
V
W
CN1
控制输入输出用连接器
CN2
编码器输入用连接器
CN3
通信用连接器
第 3 章R7D-APA3H 伺服驱动器
3.1R7D-APA3H 伺服驱动器外部结构及端子说明
SMARTSTEP A 系列为基于传统的步进马达的简单定位系统用途而开发出来的脉冲输
入型位置控制产品。
它结合了步进的简单易用特点,同时具备步进马达难以达到的一些特
征,如:
在高速、高矩的情况下段时间内完成定位,在负荷急剧变化的情况下仍能保持状
态稳定等,是具有很高可靠性的马达/驱动器。
图 3-1 为 R7D-APA3H 伺服驱动器外部结构,表 3-1 为端子说明。
注:
本系列使用电压:
主回路电源:
单相 AC200/230V(170~253V)50/60Hz
控制回路电源:
单相 AC200/230V(170~253V)50/60Hz
表 3-1
L1
L2
1
CN3
⊙
2
C
N
1
L1CL2C
L2C
B1
B2
U
V
W
C
N
2
图 3-1
控制输入输出信号的连接及外部信号信号处理电路图见附录 1。
3.2参数 / 监控模式
监控模式见表 3-2。
6
PRM.NO.
参数名称
说明
位 NO.
名称
设定
说明
Pn000
基本开关 1
0
反转方向
0
+指令为 CCW 方向回转
1
控制模式选择
1
+指令为 CW 方向回转
Pn001
基本开关 2
0
伺服 OFF 时、报警
发生时选择停止
0
用动力制动器停止马达
1
用动力制动器停止马达,
停止后解除动力制动器
2
用自由运转停止马达
Pn100
速度回路增益
调整速度回路的响应性
Pn101
速度回路积分
时间常数
速度回路的积分时间常数
Pn102
位置回路增益
调整位置回路的响应性
Pn110
在线自动调整
设定
0
在线自动调整选
择
0
接通电源后,只进行运转
初期的自动调整
1
保持自动调整
2
不自动调整
Pn200
位置控制设定
1
0
指令脉冲方式
1
偏差计数器复位
2
伺服 OFF 时、报警发生时的偏差计数器复位
监控 NO.
监控项目
说明
Un000
速度反馈
显示马达实际转量
Un002
转矩指令
显示至电流回路的指令值
Un003
Z 相的脉冲数
显示从 Z 相的转动值为脉冲数
Un004
电角度
显示马达的电角度
Un005
输入信号监控
显示控制输入信号(CN1)的输入信号
Un006
输出信号监控
显示控制输入信号(CN1)的输出信号
Un007
指令脉冲的速度表示
显示将指令脉冲的频率换算后的值
Un008
位置偏差
将偏差计数器内积累的脉冲通过指令单位进行显示
Un009
累计负荷率
显示实效转矩
Un00C
输入脉冲计数
显示输入脉冲计数
Un00D
反馈脉冲计数
显示反馈脉冲计数
表 3-2
参数模式见表 3-3。
表 3-3
3.3基本动作操作方法
1. 调整增益用旋转开关
可以调整马达响应性能,选择 0 时,按照内部设定的参数值运行。
选择 1—F 时,按
照旋转开关的数值运行。
7
开关 3
脉冲指令的模式
OFF
正转脉冲 / 反转脉冲:
正逻辑
ON
脉冲 / 方向信号:
正逻辑
开关 6
开关/参数设定有效切换
OFF
功能设定开关有效
ON
参数设定有效
如果需要降低马达响应性能(平滑地运动时),将开关设定在较小值。
如果需要提高马达响应性能(快速地运动时),将开关设定在较大值。
2. 开关/参数设定有效切换
设定驱动器的动作是按照功能开关进行或者是按照参数设定进行。
见图 3-2,说明见
表 3-4。
ONOFF
6
5
4
3
2
1
表 3-4
图 3-2
3. 脉冲指令的输入设定
脉冲指令的输入方法,按照正转脉冲/反转脉冲输入和脉冲/方向信号输入进行切换。
见图 3-3,说明见表 3-5。
ONOFF
5
4
3
2
1
图 3-3
4.在线自动调整
在线自动调整见图 3-4。
ONOFF
实行在线自动调整。
终止在线自动调整。
将结果保存在
参数的惯性比(Pn103),进行运转。
图 3-4
8
开关 2
动态制动模式
OFF
动态制动无效
ON
动态制动有效
5.动态制动的设定
动态制动的设定见图 3-5,说明见表 3-6。
ONOFF
6
5
4
3
2
1
图 3-5
表 3-6
9
CPU 单元类型
CPM2C 是一台设有 20,30,40,或 60 内装 I/O 端子的 PLC,有三种输出可用
(继电器输出,漏型晶体管输出和源型晶体管输出)和 2 种电源可用(100/240
VAC 或 24VDC)。
扩展 I/O 单元
为使PLC的I/O容量提高到最大的120点I/O,与CPU单元连接的扩展单元可多达3
个。
有三种扩展单元可用:
20点I/O单元,8点输入单元,和8点输出单元。
将3
个20点I/O单元与60内装I/O端子的CPU单元连接就得到120点I/O的最大I/O容量。
模拟量 I/O 单元
·为提供模拟量输入和输出可连接多达3个模拟量I/O单元。
每个单元提供2点
模拟量输入和1点模拟量输出,所以连接3个模拟量I/O单元就能得到最大的6点
模拟量输入和3点模拟量输出。
(将模拟量I/O点与PID(—)和PWM(—)指令结
合就能完成时间-比例控制)。
·模拟量输入范围可以设置为0~10VDC,1~5VDC,或4~20mA;分辨率为
1/256。
(1~5VDC和4~20mA设定可以使用开路检测功能)。
·模拟量输出范围可以设置为0~10VDC,-10~10VDC,或4~20mA;分辨
率为1/256。
第 4 章CPM2C 系列 PLC 简介
4.1什么是 CPM2C
4.1.1CPM2C 的定义
CPM2C是一种紧凑的,高速可编程序控制器(PLC),是为需要每台PLC有10~120点I/O
的系统控制操作而设计的。
CPM2C在一个小巧的单元内综合有各种性能,包括同步脉冲控制,中断输入,脉冲输
出,模拟量设定和时钟功能等。
CPM2C CPU单元又是一个独立单元,能处理广泛的机械
控制应用,所以它是在设备内用作内装控制单元的理想产品,完整的通信功能保证了与个
人计算机、其它OMRON PLC和OMRON可编程终端的通信。
这些通信能力使用户能设计
一个经济的分布生产系统。
4.1.2CPM2C的基本功能和特点
基本功能见表4-1。
表4-1
CPM2C的特点:
(1) 丰富的指令系统,基本指令和应用指令多达185条。
(2) 中断功能完善,高达20kHz的高速计数器能方便地测量高速运动的加工件。
(3) 高速脉冲输出功能更加完善。
(4) 具有同步脉冲控制功能,可方便地调整输入输出的脉冲频率比值。
(5) 内置时钟功能。
10
PROGRAM方
式
在编程方式下程序不会执行。
该方式进行以下为程序执行作准备的操作
· 改写如PLC设置内的那些初始/操作参数。
· 写入,传送和检查程序。
· 用I/O位强制置位和强制复位来检查接线。
MONITOR方
式
程序在MONITOR方式下执行并通过编程设备能进行以下操作。
一般来说,
MONITOR方式用于程序调试,检测操作和进行调整。
· 在线编辑
· 监视操作期间的I/O存储器。
· 强制置位/强制复位,改变设置值,在操作期间改变当前值。
RUN方式
在RUN方式下程序以正常速度执行。
如在线编辑,I/O强制置位/强制复位,
改变设置值/当前值等操作不能在RUN方式下进行,但可以进行I/O位状态监视。
(6) 完善的通信功能。
(7) 可方便地与 OMRON 的可编程序终端(PT)相连接,为机器操作提供一个可界面。
4.2CPM2C的操作方式
CPM2C有3种操作方式:
PROGRAM,MONITOR和RUN,见表4-2。
表4-2
4.3 同步脉冲控制及脉冲输出功能介绍
4.3.1同步脉冲控制
CPM2C的晶体管输出型,它的高速计数器功能配合其脉冲输出功能,可以产生一个频
率为输入脉冲固定倍数的输出脉冲。
见图4-1。
驱动器M
输出是输入频率固定倍数的脉冲
图4-1
4.3.2CPM2C的高速脉冲输出功能
CPM2C使用01000、01001两个输出点,高速脉冲输出功能更加完善。
其脉冲输出功能
有以下三种情况:
(1) 两点无加速/减速的单相脉冲输出:
输出频率为10Hz—10KHz,占空比50%。
(2) 两点不同占空比的脉冲输出:
频率范围为0.1Hz—999KHz,占空比0—100%。
(3) 带梯形加速/减速变化的脉冲输出,分为脉冲+方向输出和增/减(CW/CCW)脉冲
11
输出,占空比50%。
脉冲输出模式有2种:
独立模式,在此模式下,输出预定数目的脉冲后输出停止;连
续模式,在此模式下输出由指令来停止。
图4-2是带梯形加速和减速的脉冲输出。
选择脉冲输出的方向控制方式
选择脉冲输出端口编号
脉冲+方向输出或增/减脉冲输出
脉冲输出端口编号 0
输出端接线
脉冲输出端口号:
01000 或 01001
PLC 设置(DM6629)
创建一个梯形图程序
图 4-2
脉冲输出端口编号 0 的当前坐标值系统
PULS(65):
设置脉冲输出个数
ACC(—):
控制带梯形加速和减速的脉冲输出
INI(61):
停止脉冲输出和改变脉冲输出当前值 PV
PRV(62):
读出脉冲输出当前值 PV 和状态
带梯形加速和加速的脉冲输出原理图见图 4-3。
PULS(65)
设置脉冲
个数的指令
ACC(—)
加速控
制指令
01000 脉冲 CW
01001 方向 CCW
指定脉冲为相对
或绝对脉冲
设置输出的脉冲数
(8 位 BCD 码)
INI(61)
停止脉冲输出
改变脉冲输出当前值
模式指定
启 动 频 率 :
0 Hz ~ 10
kHz
预定频率:
0Hz~10Hz
加/减速的变化率:
10ms 频率增加/降
开始脉冲输出
每次扫 每次扫
描过程 描过程
脉冲输出的状态 脉冲输出当前值PV
立即
PRV(62
初始化设置
PPPFHGHFHPPPPPPPP
PPPPPPPPPPPPPpppp
)
高速计数
器当前值
读取指令
读出脉冲输出当前值 PV
读出脉冲输出的状态
图 4-3
12
4.4脉冲输出的方向控制方式和端口接线
选择脉冲输出的方向控制方式
脉冲输出方向控制方式的选择与所使用的信号类型有关,如图4-4所示。
01000
脉冲+方向输出
01001
01000
增/减脉冲输出
01001
图 4-4
输出端口接线见图4-5。
图 4-5
增减脉冲输出见图4-6。
图 4-6
13
指令
控制
操作
(@)SYNC(––)
启动同步控制
指定脉冲的频率比例系数,
输出端口号和输出脉冲
改变频率比例系数
在脉冲输出过程中改变脉冲
频率比例系数
(@)INI(61)
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