伺服电机控制板原理图最全word资料文档格式.docx

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内

容

本任务是“高精度运动控制与监视”中的第六个任务。

该任务的主要内容是对伺服电机进行多点定位控制。

本次任务是通过在伺服电机的位置控制系统中添加上位机并对上位机进行可视化编程来实现的。

伺服电机的多点定位程序与之前的位置控制并没有太大的区别，所以本次课的主要内容是教授学生上位机的组态方法与可视化编程的方法。

上位机在与PLC进行组态时要添加三个硬件,分别是：

常规PC、通信模块、以太网接口，这三个硬件在硬件目录中的位置是需要牢记的。

上位机的可视化编程方法与触摸屏相似，所以学生可以对比触摸屏的可视化编程方法在上位机的程序中制作用以设定转动角度和显示实际角度的I/O域和各种控制按钮。

与触摸屏不同的是上位机在启动运行界面时只需要点击“在PC上启动运行系统按钮”就可以而不需要下载程序。

本项任务的内容主要包括两大部分，分为“上位机的组态方法”和“上位机的可视化编程方法”两大部分。

其中这两项均为本项目的重点。

策略选择

课前学习，课堂互动

教学资源

资源名称

资源形式

来源

1

西门子S7-300PLC基础与应用

教材

选用

2

运动控制技术

3

授课视频

视频

自制

XXX

伺服系统简介

MINAS

ServoServantSleeve

1.2.

3.

DC伺服

伺服马达

马达AC伺服

马达

1、线圈会旋转

2、定子为永久磁铁

3、有碳刷及整流子1、定子为线圈

2、转子为永久磁铁

3、无碳刷及整流子

DCAC

DC伺服马达

1、须定期保养

2、驱动器设计较为容易

3、使用寿命较短

4、噪音较大

5、响应较差

6、启动转矩为额定扭矩AC伺服马达

1、不须定期保养

2、驱动器设计较为复杂

3、使用寿命长

4、噪音小

5、响应快

6、启动转矩为三倍额定扭矩

IM

/

AB

LOOP1LOOP

LOOP

2LOOP

LOOPLOOP

3LOOP

※依据不同的控制系依据不同的控制系统统之需求之需求,,在驱动

器中有三种控制模式可供器中有三种控制模式可供选择选择

速度控制

位置控制

扭矩控制

0±

10VCCW0

依据输入电压的大小、达到控制马达输出扭力的目的。

10V5Nm5V

2.5Nm:

2.5Nm

2.5Nm2.5Nm

10VCCW

依据输入电压的大小、达到

控制马达输出转速的目的。

依据输入的脉波数目、达到

控制马达定位的目的。

CCW/CW

脉冲列A/B相位脉冲列Pulse+Dir

度尺情度尺情

◎开回路控制（OPENLOOP

由控制器输出指令讯号,用来驱动马达依指令值位移并且停止在所指定的位置。

控制装置驱动器

传动机构

必尺情必尺情

◎半闭回路控制（SEMI-CLOSELOOP

将位置或速度检出器,装置于马达轴上以取得位置回授信号及速度回授信号。

位置检出器

情尺情情尺情◎全闭回路控制（FULL-CLOSELOOP利用光学尺等位置检出器,直接将物体的位移量随时的回

授到控制系统。

控制装置驱动器传动机构马达

位置检出器（光学尺

回授信号

RS232

CNC

I/O

功率功率到到5kW30Wto5.0kW2000/30000.5~5.0MHMAMHMDMFMAMGMAMDMAMSMAMQMAMSMDMAMA3000/50000.2~0.752000/30000.4~4.51000/20000.9~4.52000/30000.75~5.0

3000/50001.0~5.03000/50000.1~0.43000/50000.05~0.75

5000/60000.1~0.75

/rpmkw

A4

1.50W5KW

2.

4.1KHz

5.

6.2500p/r

17217

E

1.50W400W

2.:

4.400Hz

7.1/4

S

1.30W750W

5.2500p/r

伺服驱动器

?

1.

2.,

4.

:

5.,,（,,

6.,,.

7.

8.

13

4

51W2rpm3N•m4kg•56

如何如何选选定伺服定伺服马达马达马达（（2∕3减速机构的影响

1、转速:

NM=Nt×

R

2、扭力:

TL=Tℓ×

（1÷

R

3、惯量（GD²

GD²

L=GD²

L×

R²

如何如何选选定伺服定伺服马达马达马达（（3∕31

2353485

5

PE=2500（p/rev

PB=20mmR=1（Resolution=（PB（1/R/（PE4

=0.002（mm

<

±

0.05（mm

---

3~10（

//5000RPM1~2/3000RPM3000RPM

//

5000RPM

1~2/2000RPM

1000RPM

20Nm

CVI

CT

FA

MSMA400W1

MHMA1.0KW1

7

X軸MDMA2.5kW1台

Y軸MGMA4.5kW1台

T軸MDMA1.5kW2台

C軸MSMA400W1台

MHMA3.0KWX軸

MHMA3.0KWY軸

MHMA4.0KWZ軸

MHMA1.5KWC軸

MSMA400Wα軸

伺服电机转速的PLC控制

发布日期：

2021-5-2014:

41:

10 

所属频道:

自动化 

关键词:

PLC 

模拟量 

伺服系统

[摘要]利用西门子PLC输出的模拟量、伺服控制器完成了对伺服电机转速精准的控制。

提高了系统控制的可靠性和精确度。

满足了工业现场的需要。

[关键词]伺服系统；

PLC；

模拟量 

1.引言

伺服电机在自动控制系统中用作执行元件，它将接收到的控制信号转换为轴的角位移或角速度输出。

通常的控制方式有三种：

①通讯方式，利用RS232或RS485方式与上位机进行通讯，实现控制；

②模拟量控制方式，利用模拟量的大小和极性来控制电机的转速和方向；

③差分信号控制方式，利用差分信号的频率来控制电机速度。

简单、方便的实现对伺服电机转速的精确控制是工业控制领域内的一个期望目标，本文主要研究如何利用PLC输出的模拟量实现对伺服电机的速度较为精准的控制。

2.控制系统电路

控制装置选用西门子S7-200系列PLCCPU224XPCN，这种型号的PLC除了带有输入输出点外。

还有1个模拟量输入点和1个模拟量输出点，这一型号PLC所具有的模拟量模块，能够满足控制伺服电机的需要。

触摸屏选用西门子触摸屏，型号为TP177B。

具体控制方案如图l所示，触摸屏是人机对话接口，最初的指令信息要从这里输入。

输入的信息通过通讯端口传送到PLC。

经运算后，PLC输出模拟量，并连接到伺服控制器的模拟量输入端口。

伺服控制器对接收到的模拟量进行内部运算，而后驱动伺服电机达到相应的转速。

伺服电机通过测速元件将转速信息反馈到伺服控制器，形成闭环系统，实现转速稳定的效果。

图1 

控制方案

方案中的伺服电机，设计工作转速范围为500～6000RPM，精度要求为±

3RPM。

3.控制过程

在触摸屏中设置一个对话框，可输入4位数值，然后将此对话框中的数据属性设置成对应PLC中的整形变量数据（如VW310）。

目的是当在对话框中输人数值后，电机就能够达到与该数值相同的速度。

PLC输出的模拟量是0～10V，对应的整形数据是0～32000；

而伺服电机的输入模拟量是0～l0V。

对应的转速是0-6500RPM。

由于这些数值都是理论上的，并且最终希望得到的还是输入值对应上转速即可。

因此，模拟量作为中间环节仅做参考。

需要重点考虑的还是输入值、整形数据和实际转速。

经过直接实测，测试数据如表1所示。

表1　直接实测数值表

输入值

整形数值

实际转速

500

70

2000

360

4000

750

6000

1145

由表1可看出，输入值和实际转速相差甚远，而唯一的办法是通过运算将输入值转换成能对应上实际转速的整形数值。

但是还要首先找到最高转速和最低转速对应的数值。

通过实验发现，对应关系如表2所示

表2 

实测对应数值表

2711

30854

PLC的模拟量输出和伺服电机转速输出都是线性的，可以根据表2的数据列出直线方程组，计算出输入值和整形数值之间的关系。

2711＝500×

a+b

30854＝600×

解得：

a=5117；

b=152

　　设实际转速为x，整形数值为y；

那么关系方程为：

y=5117×

x+152

通过PLC。

实现则需妻用到数字运算指令，具体如图2所示

图2数字运算指令实现对应关系

运算后，将数据直接传送到模拟量输出口就完成了转换工作（由于输出口不接受双字数据；

所以仅传字数据，VB2232即可）。

如图3所示

图3模拟量输出口传送指令

这样．就基本上完成了从对话框输入速度值，经过PLC运算后输出模拟量。

伺服控制器接收到模拟量驱动伺服电机，伺服电机的转速等于输入速度值的过程。

通过经过实际检验，测得输入值、整形数值、实际转速如表3。

表3　运算后的实测数值表

运算后数值

1000

5269

999

10386

1998

3000

15503

20620

4002

5000

25737

5001

4.结束语

本文提出了一种利用西门子200系列PLC所配备的模拟量输出模块，控制伺服电机的方法，方法简单，易于实现，且能够满足转速精度为±

3RPM的工作要

负载质量M（kg5

·

滚珠丝杠节距P（mm10

滚珠丝杠直径D（mm20

滚珠丝杠质量MB（kg3

滚珠丝杠摩擦系数μ0.1

因无减速器,所以G=1、η=11

②动作模式的决定

速度（mm/s单一变化

负载移动速度V（mm/s300

行程L（mm360

行程时间tS（s1.4

加减速时间tA（s0.2

定位精度AP（mm0.01

③换算到电机轴负载惯量的计算

滚珠丝杠的惯量JB=1.50E-04kg.m2

负载的惯量JW=1.63E-04kg.m2

换算到电机轴负载惯量JL=JWJ

=G2x（JW+J2+J11.63E-04kg.m2

L

④负载转矩的计算

对摩擦力的转矩Tw7.80E-03N.m

换算到电机轴负载转矩TL=Tw7.80E-03N.m

⑤旋转数的计算

转数NN=60V/P.G1800r/min

⑥电机的初步选定[选自OMNUCU系列的初步选定举例]

选定电机的转子·

惯量为负载的

JM≥JL/305.42E-06kg.m21/30*以上的电机

选定电机的额定转矩×

0.8

TMx0.8>

TL0.5096>

比换算到电机轴负载转矩

大的电机N.m

*此值因各系列而异,请加以注意。

⑦加减速转矩的计算

⑧瞬时最大转矩、有效转矩的计算

有效转矩Trms为

⑨讨论

负载惯量JL1.63E-04kg.m2≦[电机的转子惯量JM

编码器分辨率R=P.G/AP.S1000（脉冲/转U系列的编码器规格为204

速度（mm/s

300

初步选择定R88M-U20030（Jm=1.23E-05

根据R88M-U20030的额定转矩Tm=（N.m

≦[电机的转子惯量JM

7.8E-030.637

﹤[电机的瞬时最大转矩1.528N.M≦[电机的额定转数3000r/minU系列的编码器规格为2048（脉冲/转），经编码器分频比设定至1000（脉冲/转）的情况下使用。

条件满足条件满足

情况下使用。

条件满足条件满足条件满足

伺服电机转子反馈的检测相位与转子磁极相位的对齐方式

论坛中总是有人问及伺服电机编码器相位与转子磁极相位零点如何对齐的问题,这样的问题论坛中多有回答,本人也曾在多个帖子有所回复,鉴于本人的回复较为零散,早就想整理集中一下,只是一直未能如愿,今借十一长假之际,将自己对这一问题的经验和体会整理汇总一下,以供大家参考,或者有个全面的了解。

永磁交流伺服电机的编码器相位为何要与转子磁极相位对齐

其唯一目的就是要达成矢量控制的目标,使d轴励磁分量和q轴出力分量解耦,令永磁交流伺服电机定子绕组产生的电磁场始终正交于转子永磁场,从而获得最佳的出力效果,即“类直流特性”,这种控制方法也被称为磁场定向控制（FOC,达成FOC控制目标的外在表现就是永磁交流伺服电机的“相电流”波形始终与“相反电势”波形保持一致,如下图所示:

图1

因此反推可知,只要想办法令永磁交流伺服电机的“相电流”波形始终与“相反电势”波形保持一致,就可以达成FOC控制目标,使永磁交流伺服电机的初级电磁场与磁极永磁场正交,即波形间互差90度电角度,如下图所示:

图2

如何想办法使永磁交流伺服电机的“相电流”波形始终与“相反电势”波形保持一致呢?

由图1可知,只要能够随时检测到正弦型反电势波形的电角度相位,然后就可以相对容易地根据此相位生成与反电势波形一致的正弦型相电流波形了,因此相位对齐就可以转化为编码器相位与反电势波形相位的对齐关系。

在实际操作中,欧美厂商习惯于采用给电机的绕组通以小于额定电流的直流电流使电机转子定向的方法来对齐编码器和转子磁极的相位。

当电机的绕组通入小于额定电流的直流电流时,在无外力条件下,初级电磁场与磁极永磁场相互作用,会相互吸引并定位至互差0度相位的平衡位置上,如下图所示:

图3

对比上面的图3和图2可见,虽然U相绕组（红色的位置同处于电磁场波形的峰值中心（特定角度,但FOC控制下,U相中心与永磁体的q轴对齐,而空载定向时,U相中心却与d轴对齐,也就实现了a轴或¦

Á

轴与d轴间的对齐关系,此时相位对齐到电角度0度,电机绕组中施加的转子定向电流的方向为U相入,VW出,由于V相与W相是并联关系,流经V相和W相的电流有可能出现不平衡,从而影响转子定向的准确性。

实用化的转子定向电流施加方法是U入,V出,即U相与V相串联,可获得幅值完全一致的U相和V相电流,有利于定向的准确性,此时U相绕组（红色的位置与d轴差30度电角度,即a轴或¦

轴对齐到与d差（负30度的电角度位置上,如图所示:

图4

上述两种转子定向方法对应的绕组相反电势波形和线反电势,以及电角度的关系如下图所示,棕色线为a轴或¦

轴与d轴对齐,即直接对齐到电角度0点,紫色线为a轴或¦

轴对齐到与d差（负30度的电角度位置,即对齐到-30度电角度点:

图5

d、q轴矢量与a、b、c轴或¦

、¦

Â

轴之间的角度的关系如下图所示,棕色线d轴与a轴或¦

轴对齐,即直接对齐到电角度0点,紫色线为d‘轴与a轴或¦

轴相差30度,即对齐到-30度电角度点:

图6

主流的伺服电机位置反馈元件包括增量式编码器,绝对式编码器,正余弦编码器,旋转变压器等。

增量式编码器的相位对齐方式

在此讨论中,增量式编码器的输出信号为方波信号,又可以分为带换相信号的增量式编码器和普通的增量式编码器,普通的增量式编码器具备两相正交方波脉冲输出信号A和B,以及零位信号Z;

带换相信号的增量式编码器除具备ABZ输出信号外,还具备互差120度的电子换相信号UVW,UVW各自的每转周期数与电机转子的磁极对数一致。

带换相信号的增量式编码器的UVW电子换相信号的相位与转子磁极相位,或曰电角度相位之间的对齐方法如下:

1.用一个直流电源给电机的UV绕组通以小于额定电流的直流电,U入,V出,将电机轴定向至一个平衡位置;

2.用示波器观察编码器的U相信号和Z信号;

3.调整编码器转轴与电机轴的相对位置;

4.一边调整,一边观察编码器U相信号跳变沿,和Z信号,直到Z信号稳定在高电平上（在此默认Z信号的常态为低电平,锁定编码器与电机的相对位置关系;

5.来回扭转电机轴,撒手后,若电机轴每次自由回复到平衡位置时,Z信号都能稳定在高电平上,则对齐有效。

撤掉直流电源后,验证如下:

1.用示波器观察编码器的U相信号和电机的UV线反电势波形;

2.转动电机轴,编码器的U相信号上升沿与电机的UV线反电势波形由低到高的过零点重合,编码器的Z信号也出现在这个过零点上。

上述验证方法,也可以用作对齐方法。

需要注意的是,此时增量式编码器的U相信号的相位零点即与电机UV线反电势的相位零点对齐,由于电机的U相反电势,与UV线反电势之间相差30度,因而这样对齐后,增量式编码器的U相信号的相位零点与电机U相反电势的-30度相位点对齐,而电机电角度相位与U相反电势波形的相位一致,所以此时增量式编码器的U相信号的相位零点与