基于组态软件的伺服电机监控系统的设计.docx
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基于组态软件的伺服电机监控系统的设计.docx
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基于组态软件的伺服电机监控系统的设计
南阳理工学院
本科生毕业设计
学院:
电子与电气工程学院
专业:
电气工程及其自动化
学生:
徐功平
指导教师:
刘峰
完成日期2013年5月
南阳理工学院本科生毕业设计
基于组态软件的伺服电机监控系统的设计
DesignofServoMotorMonitoringSystem
BasedonConfigurationSoftware
总计:
29页
表格:
4个
插图:
22幅
南阳理工学院本科毕业设计
基于组态软件的伺服电机监控系统的设计
DesignofServoMotorMonitoringSystem
BasedonConfigurationSoftware
学院:
电子与电气工程学院
专业:
电气工程及其自动化
学生姓名:
徐功平
学号:
1109614077
指导教师(职称):
刘峰(讲师)
评阅教师:
完成日期:
南阳理工学院
NanyangInstituteofTechnology
基于组态软件的伺服电机监控系统的设计
电气工程及其自动化专业徐功平
[摘要]随着现代电子和控制技术的高速发展,交流伺服电机日益成熟,性能不断提升,且能在上位机上实时监控电机的运动轨迹,更能方便检测电机的故障和安全隐患。
本设计介绍了一种基于IFIX组态软件和PLC的电机伺服控制系统。
系统主要有组态软件、PLC、伺服驱动器、伺服电机组成。
其中,以IFIX组态软件作为人机界面,可实现对系统的实时监控,以伺服电动机为控制对象,以驱动器器为核心,以电力电子功率变换装置为执行机构。
这类系统实现对控制网络中电机的正、反转,起、停机,加、减速,及故障报警、历史趋势、数据共享等要求。
结果表明,采用这种控制方案,可以取得良好的控制效果,运行稳定,满足设计要求,因此本设计具有广泛的应用前景与实际意义。
[关键词]监控系统;组态软件;伺服电机;PLC;模拟量
DesignofServoMotorMonitoringSystem
BasedonConfigurationSoftware
ElectricalEngineeringandAutomationSpecialtyXUGong-ping
Abstract:
Withtherapiddevelopmentofmodernelectronicandcontroltechnology,acservomotorisincreasinglymature,improveperformance,andcanreal-timemonitoringontheuppermotormovement,moreconvenienttestingmachinefailureandsafehiddentrouble.ThispaperintroducesakindofbasedonIFIXconfigurationsoftwareandProgrammableLogicController,servomotorcontrolsystem.Systemincludesconfigurationsoftware,ProgrammableLogicController,servodriver,servomotor.Amongthem,theIFIXconfigurationsoftwareastheman-machineinterface,whichcanrealizereal-timemonitoringofsystem,servomotorsascontrolobject,thecontrollerasthecore,topowerelectronicpowerconversiondevicesforactuators.Suchsystemtoachievethemotorinthecontrolnetworkis,reverse,up,down,add,deceleration,andfaultalarm,historytrend,datasharingandotherrequirements.Testresultsshowthatadoptingthiscontrolschemecanachievegoodcontroleffect,stableoperation,meetthedesignrequirements,thereforethisdesignhaswideapplicationprospectsandpracticalsignificance.
KeyWords:
Monitoringsystem;configurationsoftware;servomotor ;programmablelogiccontroller;analogquantity
致谢29
1引言
随着自动化水平的不断提高,越来越多的工业控制场合需要精确的伺服运动控制,因此如何更方便、更准确地实现伺服运动控制和实时监控是工业控制领域内的一个重要问题。
1.1国内外研究现状
国外在这方面已有了较大突破。
例如加拿大的GEMS系统通过对传感器的数据进行优化处理来辅助操作者完成准确的电机诊断。
GEMS监控程序由专家系统分析模块、状态估计处理器和用户接口模块组成。
GEMS装置顾问程序是运行在一台PC机上独立的软件,通过C语言编程来实现数据采集并实现伺服电机传感器数据与GEMS监控程序中的状态估计处理器的通讯来实现监控。
而美国的PDS系统则是通过建立规则知识库来实现监控的。
PDS系统通过对传感器数据进行压缩,然后将数据传送到诊断中心,经诊断后输出以实现监控。
到目前为止,高性能的电机伺服系统大多采用永磁同步型交流伺服电动机,控制驱动器多采用快速、准确定位的全数字位置伺服系统。
典型生产厂家如德国西门子、美国科尔摩根和日本松下及安川等公司。
目前,国内大部分工厂仅对电机进行具体的、有限的监控。
大多数情况下,老机组仅依靠表盘监控,即使少数新上的机组有微机在线监测装置,进入微机的数据也很有限且没有经过判断和综合分析,因此微机在线监控装置仅能作为信号记录及储存使用。
这样,运行人员仅凭经验来判断电机运行状态的异常现象,难以准确早期发现事故隐患。
从20世纪80年代初开始,各种各样的在线监测装置在船用发电机上得到了推广和应用。
以往,我国用电设备长期以来实施“计划维修”,缺乏针对性,容易造成设备的“过度维修”。
现在,先进的工业国家都转至状态维修也就是“需修时修”。
1.2本课题研究意义及前景
20世纪80年代以来,随着集成电路、电力电子技术和交流可变速驱动技术的发展,永磁交流伺服驱动技术有了突出的发展,各国著名电气厂商相继推出各自的交流伺服电动机和伺服驱动器系列产品并不断完善和更新。
交流伺服系统已成为当代高性能伺服系统的主要发展方向,使原来的直流伺服面临被淘汰的危机。
90年代以后,世界各国已经商品化了的交流伺服系统是采用全数字控制的正弦波电动机伺服驱动。
交流伺服驱动装置在传动领域的发展日新月异。
本设计采用IFIX组态软件开发人机交互界面,利用PLC来完成对伺服驱动器的控制和反馈,实现对控制网络中电机的正、反转,起、停机,加、减速,及故障报警、历史趋势、数据共享等,实现报表的自动生成以及生产的高效管理。
使生产过程操作简单、降低控制、维护成本。
其中伺服驱动器将具有一定电压、电流和频率的电源能量变换为具有可调电压、可调电流或可调频率电源能量起电能变换和控制作用,以检验和变换反馈信号。
控制层根据给定信号和反馈信号产生需要的控制指令和偏差信号。
调节装置用于按照一定规律控制变流装置能量的流动,通过硬件或软件产生满足控制要求的算法或校正量,以提高或校正系统的静态性能。
通过人机交互界面的设计,能够实时监控电机运行状态。
实时监控是与人们息息相关的一个实际问题。
针对这种实际情况,借助PLC梯形图和接口电路设计一个基于PLC的伺服控制系统设计,更能方便检测电机的故障和安全隐患。
交流伺服电机技术也日益成熟,性能不断提升,并且在上位机上能够实时的监控电机的运动速度,具有控制精度比较高,抗干扰能力强,具有广泛的应用前景与实际意义。
2伺服电机监控系统的概述和方案设计
2.1伺服电机控制系统现状及趋势
从70年代后期到80年代初期,随着微处理器技术、大功率高性能半导体功率器件技术和电机永磁材料制造工艺的发展及其性能价格比的日益提高,交流伺服技术——交流伺服电机和交流伺服控制系统逐渐成为主导产品。
交流伺服驱动技术已经成为工业领域实现自动化的基础技术之一,并将逐渐取代直流伺服系统。
交流伺服系统按其采用的驱动电动机的类型来分,主要有两大类:
永磁同步(SM型)电动机交流伺服系统和感应式异步(IM型)电动机交流伺服系统。
其中,永磁同步电动机交流伺服系统在技术上已趋于完全成熟,具备了十分优良的低速性能,并可实现弱磁高速控制,拓宽了系统的调速范围,适应了高性能伺服驱动的要求,目前已成为交流伺服系统的主流。
感应式异步电动机交流伺服系统由于感应式异步电动机结构坚固,制造容易,价格低廉,因而具有很好的发展前景,代表了将来伺服技术的方向,目前并未得到普遍应用[1]。
由于现代微电子技术的不断进步以及电力电子电路良好的控制特性,使几乎所有新的控制理论,控制方法都得以在交流调速装置上应用和尝试。
现代控制理论不断向交流调速领域渗透,特别是微型计算机及大规模集成电路的发展,使得交流电动机调速技术正向高频化、数字化和智能化方向发展。
当今科学的快速发展使得各学科之间已没有严格的界线,它们相互影响,相互渗透,从发展的角度来看,把神经网络、模糊控制、滑模变结构控制等现代控制理论用于伺服电机调速技术有着极其重要的意义和广阔的前景,可以认为这将是伺服电机调速技术的发展方向之一。
此外,控制领域的其他新技术如现场总线、自适应控制、遗传算法等,也将引入到交流传动领域,给伺服电机调速的控制技术带来重大的影响。
2.2伺服电机系统优点
伺服电机在自动控制系统中用作执行组件,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[2]:
(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。
伺服电机的主要特点是电机转子转速受输入型号控制,实现电机转速或被控对象输出的控制。
此外,还具有以下优点:
(1)精度:
实现了位置,速度和力矩的闭环控制;克服了步进电机失步的问题;
(2)转速:
高速性能好,一般额定转速能达到2000~3000转;
(3)适应性:
抗过载能力强,能承受三倍于额定转矩的负载,对有瞬间负载波动和要求快速起动的场合特别适用;
(4)稳定:
低速运行平稳,低速运行时不会产生类似于步进电机的步进运行现象。
适用于有高速响应要求的场合;
(5)及时性:
电机加减速的动态相应时间短,一般在几十毫秒之内;
(6)舒适性:
发热和噪音明显降低。
与其他电机相比,利用伺服电机控制系统进行调速控制有许多优点,如节能,容易实现对现有电动机的调速控制,可以实现大范围的高效连续调速控制,容易实现电动机的正反转切换,可以进行高频度的起、停、运转,可以进行电气制动。
2.3系统设计要求和设计方案
2.3.1系统设计要求
本设计要求用IFIX组态软件开发人机交互界面,利用PLC来完成对伺服驱动器的控制和反馈, 实现对控制网络中电机的正、反转,起、停机,加、减速,及故障报警、历史趋势、数据共享等,实现报表的自动生成以及生产的高效管理。
使生产过程操作简单、降低控制、维护成本。
其中伺服驱动器将具有一定电压、电流和频率的电源能量变换为具有可调电压、可调电流或可调频率电源能量起电能变换和控制作用,以检验和变换反馈信号。
控制层根据给定信号和反馈信号产生需要的控制指令和偏差信号。
调节装置用于按照一定规律控制变流装置能量的流动,通过硬件或软件产生满足控制要求的算法或校正量,以提高或校正系统的静态性能。
通过人机交互界面的设计,能够实时监控电机运行状态。
2.3.2系统设计方案
S7-200PLC,IFIX是由国际知名的自动化公司研发的,完全是为了满足工业自动化领域的应用的PLC和组态软件。
伺服系统运用的行业是一个自动化程度非常高的行业,这些系统都存在可靠性要求高、监控设备和对象多而复杂、实时性要求高等特点。
随着现伺服技术和远程控制日益成熟信息化要求的提高,基于现场总线的控制系统将为电力行业自动化系统提供更好的选择。
目前制约基于PLC的控制伺服系统在工业应用上的主要问题,主要包括以下几个方面:
支持PLC控制伺服系统的智能设备造成初期投资的提高;系统结构如何变化,如何构筑一个基于PLC伺服的控制系统;通讯是否可靠;设备选型等。
针对上述一些问题本系统采用的基本结构如图1所示。
图1系统基本结构图
PLC为本系统总控制器,本系统用到的PLC通过特制电缆连接伺服驱动器;驱动器再接伺服电机;伺服电机通过伺服驱动器给PLC一个反馈信号,这个反馈信号接PLC的模拟量输入端。
这样便于控制更加精准和快速[3]。
由用户程序控制PLC的动作,PLC的动作引起伺服驱动器的反应,从而达到控制电机的目的。
编码器接24V直流电源。
伺服驱动器接220V交流电。
工业控制计算机通过PPI电缆连接PLC,用户可以通过组态软件观察控制系统工作情况。
从而实现远程控制电机调速系统。
3伺服电动机调速系统设计
3.1伺服电机调速系统的基本结构图
随着伺服电动机在国内外市场上日益扩大应用。
我国对于伺服电机的品种不断扩大,产品设计也不断改进。
为适应不同用途、不同工作条件和使用环境等各种要求,专用系列伺服电机产品在将来将迅速发展。
伺服调速系统的主要组成部分如图2所示。
图2伺服电机调速系统的基本结构图
其中伺服电机是受控对象和传动装置。
伺服驱动器将具有一定电压、电流和频率的电源能量变换为具有可调电压、可调电流或可调频率电源能量,起电能变换和控制作用,以检验和变换反馈信号。
在伺服调速系统中主要反馈量有电压、电流、转速、转矩、磁通和转子位置角等。
控制层根据给定信号和反馈信号产生所需要的控制指令和偏差信号。
调节装置用于按照一定规律控制变流装置能量的流动,通过硬件或软件产生满足控制要求的算法或校正量,以提高或校正系统的静态性能。
在要求不很高的场合,没有反馈装置而采用开环控制,但前提是电机本身应具有足够的稳定性和可调性。
控制装置选用西门子S7-200PLC系列PLCCPU224XP.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[4]。
3.2伺服电机结构和工作原理
3.2.1交流伺服电动机的组成结构
交流伺服电动机的结构主要可分为两大部分,即定子部分和转子。
其中定子的结构与旋转变压器的定子基本相同,在定子铁心中也安放着空间互成90°电角度的两相绕组,如图3所示。
其中L1-L2称为励磁绕组,k1-k2称为控制绕组,所以交流伺服电动机是一种两相的交流电动机。
转子的结构常用的有鼠笼形转子和非磁性杯形转子。
鼠笼形转子交流伺服电动机的结构如图4所示,它的转子由转轴、转子铁心和转子绕组等组成。
转子铁心是由硅钢片叠成的,每片冲成有齿有槽的形状,然后叠压起来将轴压入轴孔内。
铁心的每一槽中放有一根导条,所有导条两端用两个短路环连接,这就构成了转子绕组。
如图5所示。
图3两相绕组分布图图4鼠笼型转子交流伺服电机图5转子冲片
非磁性杯形转子交流伺服电动机的结构外定子与鼠笼形转子伺服电动机的定子完全一样,内定子由环形钢片叠成,通常内定子不放绕组,只是代替鼠笼转子的铁心,作为电机磁路的一部分。
在内、外定子之间有细长的空心转子装在转轴上,空心转子作成杯子形状,所以又称为空心杯形转子。
空心杯由非磁性材料铝或铜制成,它的杯壁极薄,一般在0.3mm。
杯形转子套在内定子铁心外,并通过转轴可以在内、外定子之间的气隙中自由转动,而内、外定子是不动的。
与鼠笼形转子相比较,非磁性杯形转子惯量小,轴承摩擦阻转矩小,由于它的转子没有齿和槽,所以定、转子间没有齿槽粘合现象,转矩不会随转子不同的位置而发生变化,恒速旋转时,转子一般不会有抖动现象,运转平稳。
但是由于它内、外定子间气隙较大(杯壁厚度加上杯壁两边的气隙),所以励磁电流就大,降低了电机的利用率,因而在相同的体积和重量下,在一定的功率范围内,杯形转子伺服电动机比鼠笼转子伺服电动机所产生的启动转矩和输出功率都小;另外,杯形转子伺服电动机结构和制造工艺又比较复杂。
因此,目前广泛应用的是鼠笼形转子伺服电动机,只有在要求运转非常平稳的某些特殊场合下(如:
积分电路等),才采用非磁性杯形转子伺服电动机。
3.2.2伺服电动机的工作原理
交流伺服电机的工作原理和单相感应电动机无本质上的差异。
但是,交流伺服电机必须具备一个性能,就是能克服交流伺服电机的所谓“自转”现象,即无控制信号时,它不应转动,特别是当它已在转动时,如果控制信号消失,它应能立即停止转动。
而普通的感应电动机转动起来以后,如控制信号消失,往往仍在继续转动。
当电机原来处于静止状态时,如控制绕组不加控制电压,此时只有励磁绕组通电产生脉动磁场。
可以把脉动磁场看成两个圆形旋转磁场。
这两个圆形旋转磁场以同样的大小和转速,向相反方向旋转,所建立的正、反转旋转磁场分别切割笼型绕组(或杯形壁)并感应出大小相同,相位相反的电动势和电流(或涡流),这些电流分别与各自的磁场作用产生的力矩也大小相等、方向相反,合成力矩为零伺服电机转子转不起来。
一旦控制系统有偏差信号,控制绕组就要接受与之相对应的控制电压。
在一般情况下,电机内部产生的磁场是椭圆形旋转磁场[5]。
一个椭圆形旋转磁场可以看成是由两个圆形旋转磁场合成起来的。
这两个圆形旋转磁场幅值不等(与原椭圆旋转磁场转向相同的正转磁场大,与原转向相反的反转磁场小),但以相同的速度,向相反的方向旋转。
它们切割转子绕组感应的电势和电流以及产生的电磁力矩也方向相反、大小不等(正转者大,反转者小)合成力矩不为零,所以伺服电机就朝着正转磁场的方向转动起来,随着信号的增强,磁场接近圆形,此时正转磁场及其力矩增大,反转磁场及其力矩减小,合成力矩变大,如负载力矩不变,转子的速度就增加。
如果改变控制电压的相位,即移相1800,旋转磁场的转向相反,因而产生的合成力矩方向也相反,伺服电机将反转。
若控制信号消失,只有励磁绕组通入电流,伺服电机产生的磁场将是脉动磁场,转子很快地停下来。
鼠笼转子(或者是非磁性杯形转子)所以会转动起来是由于在空间中有一个旋转磁场。
旋转磁场切割转子导条,在转子导条中产生感应电势和电流,转子导条中的电流再与旋转磁场相互作用就产生力和转矩,转矩的方向和旋转磁场的转向相同,于是转子就跟着旋转磁场沿同一方向转动。
这就是交流伺服电动机的简单工作原理。
3.2.3伺服电机在位置和速度模式下的运转和调整
(1)位置控制模式下的运转:
位置控制的根本任务就是使执行机构对位置指令的精确跟踪,被控量一般是负载的空间位移,当给定量随机变化时,系统能使被控量无误地跟踪并反馈给定量,给定量可能是角位移或直线位移。
所以,位置控制必然是一个反馈控制系统组成位置控制回路。
在位置控制方式下,伺服驱动器接收数控主机发出的位置指令信号脉冲/方向,送入脉冲列形态,经电子齿轮分/倍频后,在偏差可逆计数器中与反馈脉冲信号比较后形成偏差信号。
反馈脉冲是由光电编码器检测到电机实际所产生的脉冲数,经四倍频后产生的。
位置偏差信号经位置环的复合前馈控制器调节后,形成速度指令信号。
速度指令信号与速度反馈信号与位置检测装置相同比较后的偏差信号经速度环比例积分控制器调节后产生电流指令信号,在电流环中经矢量变换后由SPWM输出转矩电流,控制交流伺服电机的运行。
位置控制精度由旋转编码器每转产生的脉冲数控制,系统一般采用的是增量式光电编码器,Srv-on接PLC输出继电器控制,控制伺服驱动器启动、停止。
PULS2为指令脉冲输入端口,SING2为方向信号输入端口,分别由PLC发出控制信号,来控制伺服机的运行的步数及运行方向。
(2)速度控制模式下的运转:
速度控制的目的就是要让伺服电机根据控制要求最快速的进行动作响应。
速度控制是一个反馈控制系统,组成速度控制回路,即速度环。
Srv-on接PLC输出继电器控制,控制伺服驱动器启动、停止。
Zerospd是伺服驱动器本身的启动、停止控制端。
trqr接PLC模拟量输出,对伺服电机的速度进行控制。
以完成速度控制要求[6]。
(3)增益调整:
在使用伺服电机的场合,要求电机按照指令动作,不得延迟,不得有误。
要保证这点,必须要有增益调整。
增益调整分为自动调整与手动调整两类。
①:
自动调整的适用性。
负载惯量必须至少是电机惯量的三倍,但是不能大于20倍。
机器(电机负载)和它的耦合连接必须有较高的机械钢性。
①齿轮及其他设备的间隙很小;②偏心负载必须小于额定转矩的1/4;③粘性的负载转矩必须小于额定转矩的1/4;④任何振荡不得导致机器(电机负载)的机械损坏;⑤两次反时针转动,接着两次顺时针转动,决不能成任何问题。
②:
增益调整与机械刚性之间的关系。
为了增加机械刚性:
①机械(电机负载)必须牢固地固定在坚硬的基础上;②电机与机器之间的耦合连接必须是专门设计为伺服电机用的高刚性;③同步带必须有较大的宽度,同步带的张力必须根据电机允许轴向负载作相应的调整;④齿轮必须有较小的间隙。
机器的固有频率(谐振)大大的影响伺服电机的增益调整,如果机器的谐振频率比较低,就不能设定伺服系统的较高响应特性。
3.3伺服驱动器
3.3.1伺服驱动器控制电路设计
控制伺服电机的一种控制器,其作用类似于变频器作用于普通交流马达,属于伺服系统的一部分,主要应用于高精度的定位系统。
一般是通过位置、速度和力矩三种方式对伺服马达进行控制,实现高精度的传动系统定位,目前是传动技术的高端产品。
伺服电机控制系统框图如图6所示。
图6伺服电机控制系统框图
由图6可知,PLC控制器为系统主控制器;伺服驱动器通过自带的通信模块可以很方便地连接到PLC控制网络上;使用S7-200PLC的编程软件step7设计梯形图程序,并下载到PLC控制器中,实现远程基于S7-200PLC对伺服驱动器控制,进而实现对电机的速度、位置控制[7]。
其中,计算机用于系统的组态、监控和编程,PPI电缆负责PLC控制器与计算机之间的通信,而PLC控制器进行顺序和传动控制,通过伺服驱动器专用线将控制器命令传达给伺服驱动器,同时接受伺服驱动器的状态并实现实时反馈信息。
控制程序将速度给定值命令信息以控制字的数据格式传给PLC控制器,实现伺服驱动器的自动控制。
3.3.2伺服电机驱动器调速控制系统及其原理
伺服电机调速系统由伺服驱动器、电动机及其控制系统构成。
伺服调速系统通过改变异步电动机定子的供电源频率,从而改变电动机同步转速,其调速特性基本上保持了伺服电动机固有的机械特性硬度高、转差率小的特点,同时具有效率高、调速范围宽、精度高、调速平滑等优点。
伺服调速工作原理图如图7所
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