PLC控制伺服电机总结要点.pdf
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1、1 第1章PLC基础知识 1.1 PLC简介 1.1.1 PLC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
2、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。 1.1.2 PLC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
3、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
4、、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
5、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。 2 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
6、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
7、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 PL
8、C 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。 1.2 PLC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。 3 (3)
9、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: 1.3 PLC 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
10、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。 编程器 电源 主机 CPU 输 出 单 元 输 入 单 元 外 设 接 口 I/O 扩 展 口 存储器 EPROM (系统程序 ) RAM (用户程序 ) 输 入 信 号 输 出 信 号 I
11、/O 扩 展 单 元 图 1-1 4 初始化 硬件、内存检查 检查结果正常? 扫描周期监视时间预置 执行用户程序 程序结束? 扫描周期固定值 有固定值设置? 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 NO 无 YES 有 设置各异常继电器 异常或警告 正常 异常 异常 警告 图 1-2 5 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,
12、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
13、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) 。
14、 (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
15、以其高性能、大容量日益受到广泛的重视和应用。 6 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 0 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
16、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。 x wt x wt 图 2-1 7 第 3 章R7D-APA3H 伺服驱动器 3.1 R7D-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,
17、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(170253V)50/60Hz 控制回路电源:单相AC200/230V(170253V)50/60Hz L1C L2C L2C B1 B2 U V W 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。 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
18、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 CN3 C N 1 C N 2 2 L2 L1 图 3-1 表 3-1 1 8 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
19、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 参数模式见表 3-3。 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
20、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 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1F 时,按 照旋转开关的数值运行。 表 3-2 表 3-3 9 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
21、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。 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。 4.在线自动调整 在线自动调整见图3-4。 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 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 图 3-2 ON OFF 图 3-3 1 2 3 4 5 6 表 3-5 终止在线自动调整。将结果
22、保存在 参数的惯性比 (Pn103) , 进行运转。 实行在线自动调整。 ON OFF 图 3-4 1 2 3 4 5 6 表 3-4 ONOFF 10 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。 开关 2动态制动模式 OFF 动态制动无效 ON 动态制动有效 1 2 3 4 5 6 ON OFF 图 3-5 表 3-6 11 第 4 章CPM2C 系列 PLC 简介 4.1 什么是 CPM2C 4.1.1 CPM2C 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10120点I/O 的系统控制操作而设计的。 CPM2C在一个小巧
23、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。 4.1.2 CPM2C的基本功能和特点 基本功能见表 4-1。 表4-1 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
24、(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
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