基于PLC和伺服电机的工作台位移控制毕业论文doc.docx
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基于PLC和伺服电机的工作台位移控制毕业论文doc
摘要
现代社会,随着科学的进步、自动化的不断发展,PLC已成为现代产业中必不可少的使用工具,我们应该尽可能的发挥出PLC的功能,使之能最大限度的满足被控对象的控制要求。
本设计中为了能满足工作台的移动要求,我选用西门子PLC做伺服电机的控制核心,用触摸屏来实现对伺服电机的控制,以便做到能使工作台能够在我的控制下实现自由来回的位移。
本文主要介绍了PLC控制系统总体方案设计、设计过程、组成、列出的梯形图,并给出了系统组成框图,分析电梯逻辑关系,提出PLC的编程方法。
关键词:
PLC伺服电机控制触摸屏
Abstract
Modernsociety,withtheprogressofscience,thecontinuousdevelopmentoftheautomation,PLChasbecomeessentialinmodernindustrytheuseoftools,weshouldtrytoplayafunctionofthePLC,sothatitcanmaximizethesatisfactionofthecontrolledobjectcontrolrequirements.Thisdesigninordertomeetthemobilerequirementsoftable,IchosetouseSiemensPLCtodothecoreoftheservomotorcontrol,servomotorcontrol,touchscreen,makethetableinordertoachievefreedombackandforthundermycontroldisplacement.ThispaperdescribestheoveralldesignofthePLCcontrolsystemdesignprocess,components,listedintheladder,andgivesthesystemblockdiagram,analysisoftheelevatorlogicalrelationshipproposedPLCprogrammingmethod.
Keywords:
PLC,servomotor,control,thetouchscreen
第一章课题简介
三年大学时光我们学习了很多知识,其中机床的运动最让我们印象深刻,因此我决定设置一个简单的可以控制位移大小的工作台来作为我的毕业设计。
普通机床中工作台的运动通过工人的手动操作来实现,数控机床工作台运动通过事先编制的加工程序来控制,在加工过程中我们学生很好奇机床的运动是如何控制的。
在学习过机械设计、电机与电力拖动、PLC等课程之后,产生一个想法:
自己制作一个可控制位移大小的工作台。
工作台运动通过伺服电机驱动,用PLC控制伺服电机,电机带动丝杠螺母副实现工作台直左右位移,如下图所示。
图1.1工作台组成示意图
第二章工作台的组成
如实物图的结构,其组成大体有五部分,包括够做电源、PLC(S7-200)、伺服驱动器、伺服电机、工作台机械部件(丝杠螺母副等)。
图2.1工作台实物图
2.1PLC(S7-200)
2.1.1PLC介绍
在制造业和过程工业中,除了以模拟量为被控对象的反馈控制外,还存在着大量的以开关量(数字量)为主的逻辑顺序控制,这一点在以改变几何形状和机械性能为特征的制造业中,尤为突出。
它要求控制系统按照逻辑条件和一定的顺序、时序产生控制动作,并能够对来自现场的大量开关量、脉冲、计时、计数及模拟量的越限报警等数字信号进行监视和处理。
这些工作在早期由继电-接触器电路来实现的,其缺点是体积庞大、故障率高、功耗大、不易维护、不易改造和升级等。
而目前,PLC控制器的程序存储容量多以MB为单位,随着超大规模集成电路技术的发展,微处理器的性能大幅提高,指令执行速度达到微妙级,从而极大提高了PLC的数据处理能力,高档的PLC可以进行复杂的浮点数运算,并增加了许多特殊功能,如高速计数、脉宽雕制变换、PID闭环控制、定位控制等,从而在以模拟量为主的过程控制领域也占有了一席之地,在一定程度上具备了组建DCS系统的能力。
此外,PLC的通信功能和远程I/O能力非常强大,可以组建成分布式通信网络系统。
在组成结构上,PLC具有一体化结构和模块式结构两种模式。
一体化结构的PLC追求功能的完善,性能的提高,体积越来越小,有利于安装。
而模块式结构的PLC则利用单一功能的各种模块拼装成一台完整的PLC,用户在设计自己的PLC控制系统时拥有极大的灵活性,并使设备的性价比达到最优。
同时,模块式结构也有利于系统的维护、换代和升级,并使系统的扩展能力大大加强。
可编程控制器的产生是基于工业控制的需要,是面向工业控制领域的专用设备,归纳为以下几点:
1.可靠性高,抗干扰能力强
2.灵活性强,控制系统具有良好的柔性。
3.通用性强,使用方便
4.功能强,适应面广
5.编程方法简单,容易掌握
6.PLC控制系统的设计、安装、调试、维护方便
7.体积小、重量轻、功耗低
综上所述,设计彩灯用德国西门子S7-200型编程器。
2.1.2PLC的选型
一般选择PLC型号可以从对输入/输出点、存储容量、I/O响应时间、输出负载的特点、在线和离线编程等方面考虑。
1.PLC容量的选择
首先对控制任务进行详细的分析,把所有的I/O点找出来,包括开关量I/O和模拟量I/O,以及这些I/O点的性质。
I/O点的性质主要指它们是直流信号还是交流信号,它们的电源电压,以及输出是用继电器还是晶体管或是可控硅型。
然后要对用户存储器容量进行估算。
用户程序所需内存容量受到内存利用率、开关量输入/输出点数、模拟量输入/输出点数和用户编程水平等几个主要因素的影响。
2.PLC机型的选择
(1)功能方面
所有PLC一般都具有常规的功能,但对某些特殊要求,就要知道所选用的PLC是否有能力完成控制任务。
如对PLC与PLC、PLC与智能仪表及上位机之间有灵活方便的通信要求;或对PLC的计算速度、用户程序容量等有特殊要求等。
(2)价格方面
不同厂家的PLC产品价格相差很大,有些功能类似、质量相当、I/O点数相当的PLC的价格能相差40%以上。
因此,在使用PLC较多的情况下,价格比是一个重要的因素。
(3)售后服务
用户应考虑相关的技术支持,统一型号以方便维护,系统改造、升级等因素。
PLC主机选定后,如果控制系统需要,则相应的配套模块也就选定了。
如模拟量单元、显示设定单元、位置控制单元或热电偶单元等。
2.2伺服驱动器
伺服驱动器(servodrives)是用来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。
2.2.1伺服驱动器原理
目前主流的伺服驱动器均采用数字信号处理器(DSP)作为控制核心,伺服驱动器可以实现比较复杂的控制算法,实现数字化、网络化和智能化。
功率器件普遍采用以智能功率模块(IPM)为核心设计的驱动电路,IPM内部集成了驱动电路,同时具有过电压、过电流、过热、欠压等故障检测保护电路,在主回路中还加入软启动电路,以减小启动过程对驱动器的冲击。
功率驱动单元首先通过三相全桥整流电路对输入的三相电或者市电进行整流,得到相应的直流电。
经过整流好的三相电或市电,再通过三相正弦PWM电压型逆变器变频来驱动三相永磁式同步交流伺服电机。
功率驱动单元的整个过程可以简单的说就是AC-DC-AC的过程。
整流单元(AC-DC)主要的拓扑电路是三相全桥不控整流电路。
随着伺服系统的大规模应用,伺服驱动器使用、伺服驱动器调试、伺服驱动器维修都是伺服驱动器在当今比较重要的技术课题,越来越多工控技术服务商对伺服驱动器进行了技术深层次研究。
2.2.2使用伺服驱动器的基本要求
对驱动器要求
1、调速范围宽
2、定位精度高
3、有足够的传动刚性和高的速度稳定性
4、快速响应,无超调 为了保证生产率和加工质量,除了要求有较高的定位精度外,伺服驱动器还要求有良好的快速响应特性,即要求跟踪指令信号的响应要快,因为数控系统在启动、制动时,要求加、减加速度足够大,缩短进给系统的过渡过程时间,减小轮廓过渡误差。
5、低速大转矩,过载能力强 一般来说,伺服驱动器具有数分钟甚至半小时内1.5倍以上的过载能力,在短时间内可以过载4~6倍而不损坏。
6、可靠性高 要求数控机床的进给驱动系统可靠性高、工作稳定性好,具有较强的温度、湿度、振动等环境适应能力和很强的抗干扰的能力。
对电机的要求
1、从最低速到最高速电机都能平稳运转,转矩波动要小,尤其在低速如0.1r/min或更低速时,仍有平稳的速度而无爬行现象。
2、电机应具有大的较长时间的过载能力,以满足低速大转矩的要求。
一般直流伺服电机要求在数分钟内过载4~6倍而不损坏。
3、为了满足快速响应的要求,电机应有较小的转动惯量和大的堵转转矩,并具有尽可能小的时间常数和启动电压。
4、电机应能承受频繁启、制动和反转。
图2.2伺服驱动器实物
2.3伺服电机
2.3.1伺服电机介绍
伺服电机(servomotor)是指在伺服系统中控制机械元件运转的发动机,是一种补助马达间接变速装置。
伺服电机可使控制速度,位置精度非常准确,可以将电压信号转化为转矩和转速以驱动控制对象。
伺服电机转子转速受输入信号控制,并能快速反应,在自动控制系统中,用作执行元件,且具有机电时间常数小、线性度高、始动电压等特性,可把所收到的电信号转换成电动机轴上的角位移或角速度输出。
分为直流和交流伺服电动机两大类,其主要特点是,当信号电压为零时无自转现象,转速随着转矩的增加而匀速下降。
2.3.2伺服电机工作原理
伺服系统(servomechanism)是使物体的位置、方位,伺服电机状态等输出被控量能够跟随输入目标(或给定值)的任意变化的自动控制系统。
伺服主要靠脉冲来定位,基本上可以这样理解,伺服电机接收到1个脉冲,就会旋转1个脉冲对应的角度,从而实现位移,因为,伺服电机本身具备发出脉冲的功能,所以伺服电机每旋转一个角度,都会发出对应数量的脉冲,这样,和伺服电机接受的脉冲形成了呼应,或者叫闭环,如此一来,系统就会知道发了多少脉冲给伺服电机,同时又收了多少脉冲回来,这样,就能够很精确的控制电机的转动,从而实现精确的定位,可以达到0.001mm。
直流伺服电机分为有刷和无刷电机。
有刷电机成本低,结构简单,启动转矩大,调速范围宽,控制容易,需要维护,但维护不方便(换碳刷),产生电磁干扰,对环境有要求。
因此它可以用于对成本敏感的普通工业和民用场合。
2.3.3伺服电机与步进电机的性能对比
步进电机作为一种开环控制的系统,和现代数字控制技术有着本质的联系。
在目前国内的数字控制系统中,步进电机的应用十分广泛。
随着全数字式交流伺服系统的出现,交流伺服电机也越来越多地应用于数字控制系统中。
为了适应数字控制的发展趋势,运动控制系统中大多采用步进电机或全数字式交流伺服电机作为执行电动机。
虽然两者在控制方式上相似(脉冲串和方向信号),但在使用性能和应用场合上存在着较大的差异。
现就二者的使用性能作一比较。
一、控制精度不同 两相混合式步进电机步距角一般为1.8°、0.9°,五相混合式步进电机步距角一般为0.72°、0.36°。
也有一些高性能的步进电机通过细分后步距角更小。
如三洋公司(SANYODENKI)生产的二相混合式步进电机其步距角可通过拨码开关设置为1.8°、0.9°、0.72°、0.36°、0.18°、0.09°、0.072°、0.036°,兼容了两相和五相混合式步进电机的步距角。
交流伺服电机的控制精度由电机轴后端的旋转编码器保证。
以三洋全数字式交流伺服电机为例,对于带标准2000线编码器的电机而言,由于驱动器内部采用了四倍频技术,其脉冲当量为360°/8000=0.045°。
对于带17位编码器的电机而言,驱动器每接收131072个脉冲电机转一圈,即其脉冲当量为360°/131072=0.0027466°,是步距角为1.8°的步进电机的脉冲当量的1/655。
二、低频特性不同 步进电机在低速时易出现低频振动现象。
振动频率与负载情况和驱动器性能有关,一般认为振动频率为电机空载起跳频率的一半。
这种由步进电机的工作原理所决定的低频振动现象对于机器的正常运转非常不利。
当步进电机工作在低速时,一般应采用阻尼技术来克服低频振动现象,比如在电机上加阻尼器,或驱动器上采用细分技术等。
交流伺服电机运转非常平稳,即使在低速时也不会出现振动现象。
交流伺服系统具有共振抑制功能,可涵盖机械的刚性不足,并且系统内部具有频率解析机能(FFT),可检测出机械的共振点,便于系统调整。
三、矩频特性不同 步进电机的输出力矩随转速升高而下降,且在较高转速时会急剧下降,所以其最高工作转速一般在300~600RPM。
交流伺服电机为恒力矩输出,即在其额定转速(一般为2000RPM或3000RPM)以内,都能输出额定转矩,在额定转速以上为恒功率输出。
四、过载能力不同 步进电机一般不具有过载能力。
交流伺服电机具有较强的过载能力。
以三洋交流伺服系统为例,它具有速度过载和转矩过载能力。
其最大转矩为额定转矩的二到三倍,可用于克服惯性负载在启动瞬间的惯性力矩。
步进电机因为没有这种过载能力,在选型时为了克服这种惯性力矩,往往需要选取较大转矩的电机,而机器在正常工作期间又不需要那么大的转矩,便出现了力矩浪费的现象。
五、运行性能不同 步进电机的控制为开环控制,启动频率过高或负载过大易出现丢步或堵转的现象,停止时转速过高易出现过冲的现象,所以为保证其控制精度,应处理好升、降速问题。
交流伺服驱动系统为闭环控制,驱动器可直接对电机编码器反馈信号进行采样,内部构成位置环和速度环,一般不会出现步进电机的丢步或过冲的现象,控制性能更为可靠。
六、速度响应性能不同 步进电机从静止加速到工作转速(一般为每分钟几百转)需要200~400毫秒。
交流伺服系统的加速性能较好,以山洋400W交流伺服电机为例,从静止加速到其额定转速3000RPM仅需几毫秒,可用于要求快速启停的控制场合。
2.3.4伺服电机的选择
直流伺服驱动技术受电机本身缺陷的影响,其发展受到了限制。
直流伺服电机存在机械结构复杂、维护工作量大等缺点,在运行过程转子容易发热,影响了与其连接的其他机械设备的精度,难以应用到高速及大容量的场合,机械换向器则成为直流伺服驱动技术发展的瓶颈。
交流伺服电机克服了直流伺服电机存在的电刷、换向器等机械部件所带来的各种缺点,特别是交流伺服电机的过负荷特性和低惯性更体现出交流伺服系统的优越性。
从伺服驱动产品当前的应用来看,直流伺服产品正逐渐减少,交流伺服产品则日渐增加,市场占有率逐步扩大。
在实际应用中,精度更高、速度更快、使用更方便的交流伺服产品已经成为主流产品。
日本安川电机制作所推出的小型交流伺服电动机和驱动器,其中D系列适用于数控机床(最高转速为1000r/min,力矩为0.25~2.8N.m),R系列适用于机器人(最高转速为3000r/min,力矩为0.016~0.16N.m)。
之后又推出M、F、S、H、C、G六个系列。
20世纪90年代先后推出了新的D系列和R系列。
由旧系列矩形波驱动、8051单片机控制改为正弦波驱动、80C、154CPU和门阵列芯片控制,力矩波动由24%降低到7%,并提高了可靠性。
这样,只用了几年时间形成了八个系列(功率范围为0.05~6kW)较完整的体系,满足了工作机械、搬运机构、焊接机械人、装配机器人、电子部件、加工机械、印刷机、高速卷绕机、绕线机等的不同需要。
本课题选用的伺服电机是安川Σ系列伺服电机,电机型号SGM-A5A312。
图2.3是安川伺服电机的铭牌和外观,图2.4是伺服电机的实物图。
图2.3伺服电机铭牌和外观
图2.4安川伺服电机实物图
2.4工作台机械部件
2.4.1滚珠丝杠螺母副
丝杠螺母副是机床上常用的运动变换机构,其功用是将旋转运动变换成直线运动。
按丝杠与螺母的摩擦性质不同,可将数控机床上常用的丝杠螺母副分为以下几类:
(a)滑动丝杠螺母副,主要用于旧机床的数控化改造、经济型数控机床等;
(b)滚珠丝杠螺母副,广泛用于中、高档数控机床;
(c)静压丝杠螺母副,主要用于高精度数控机床、重型机床。
这里主要介绍一下滚珠丝杠螺母副的结构、特点、设计要求和应用。
滚珠丝杠的结构组成
滚珠丝杠由丝杠、螺母、滚珠和滚珠返回装置4部分组成。
在丝杠和螺母上加工有弧形螺旋槽,当它们套装在一起时便形成了螺旋滚道,滚道内装满滚珠。
丝杠回转时,为保持丝杠螺母的连续工作,滚珠通过螺母上的返回装置完成循环。
按照滚珠的循环方式,滚珠丝杠螺母副分成内循环方式和外循环方式两大类如图2.5所示。
图2.5滚珠丝杠螺母副的循环方式
内循环方式是指在循环过程中滚珠始终保持和丝杠接触的方式。
这种方式螺母结构紧凑,定位可靠,刚性好,不易磨损,返回滚道短,不易产生滚珠堵塞,摩擦损失小。
缺点是结构复杂、制造较困难。
外循环方式是指在循环过程中滚珠与丝杠脱离接触的方式。
外循环方式制造工艺简单,应用广泛;螺母径向尺寸较大;但因用弯管端部作挡珠器,故刚性差、易磨损。
特点:
a)传动效率高、摩擦损失小。
滚珠丝杠螺母副传动的效率η高达85%~98%,是普通滑动丝杠的2~4倍。
因此,功率消耗只相当于常规丝杠的1/4~1/2。
b)运动灵敏,低速时无爬行。
由于滚珠与丝杠和螺母之间的摩擦是滚动摩擦,运动件的摩擦阻力及动、静摩擦阻力之差都很小,采用滚珠丝杠螺母副是提高进给系统灵敏度、定位精度和防止爬行的有效措一。
c)传动精度高,刚性好。
通过适当的预紧,可消除传动间隙,实现无间隙传动。
d)滚珠丝杠螺母副的磨损很小,使用寿命长。
e)无自锁能力,具有传动的可逆性,故对于垂直使用的丝杠,由于重力的作用,当传动切断时不能立即停止运动,应增加自锁装置。
f)滚珠丝杠螺母副制造工艺复杂,滚珠丝杠和螺母的材料、热处理和加工要求与滚动轴承相同,且螺旋滚道必须磨削,因而制造成本高。
2.4.2联轴器
HK系列十字滑块联轴器
●结构简单的高扭矩刚性、高灵敏度联轴器
●主体中间用十字滑块联接,安装方便,免维护
图2.6联轴器实物图
●容许大的径向和角向偏差;零回转间隙
●采用铝合金和不锈钢材料
●可抗油污抗腐蚀和电气绝缘
●定位螺丝固定方式
2.4.3传感器
国家标准GB7665-87对传感器下的定义是:
“能感受规定的被测量件并按照一定的规律转换成可用信号的器件或装置,通常由敏感元件和转换元件组成”。
传感器是一种检测装置,能感受到被测量的信息,并能将检测感受到的信息,按一定规律变换成为电信号或其他所需形式的信息输出,以满足信息的传输、处理、存储、显示、记录和控制等要求。
它是实现自动检测和自动控制的首要环节。
(a)(b)
图2.7接近传感器的外观(a)和检测距离(b)
图2.8接近传感器实物图
接近传感器,是代替限位开关等接触式检测方式,以无需接触检测对象进行检测为目的的传感器的总称。
能检测对象的移动信息和存在信息转换为电气信号。
在换为电气信号的检测方式中,包括利用电磁感应引起的检测对象的金属体中产生的涡电流的方式、捕测体的接近引起的电气信号的容量变化的方式、利石和引导开关的方式。
在JIS的定义中,在传感器中也能以非接触方式检测到物体的接近和附近检测对象有无的产品总称为“接近开关”,由感应型、静电容量型、超声波型、光电型、磁力型等构成。
将检测金属存在的感应型接近传感器、检测金属及非金属物体存在的静电容量型接近传感器、利用磁力产生的直流磁场的开关定义为“接近传感器”。
本装置中所用的是日本神视(现属松下公司)GXL-8FU电感式接近开关,其外观和感应距离如图2.7所示,安装位置如图2.8所示。
接近传感器的内部电路和外部接线:
图2.9传感器I/O接口电路
图2.10传感器外部接线
GXL-8FU电感式接近开关的内部电路如上图2.9所示,外部接线如图2.10所示,该传感器为两线输出,传感器必须通过负载连接到电源。
如果传感器连接到一个不带负载的电源上,将会出现短路保护,使传感器无法正常工作。
(输出保持在OFF状态,指示灯不亮。
)如果不带负载的反向极性连接电源,将会毁坏传感器。
故棕色线接到24伏,蓝色线接到0伏。
第三章S7-200可编程控制器
伺服电机主要靠接收到的脉冲数来定位,每接收到1个脉冲,就会旋转1个脉冲对应的角度,从而实现位移。
伺服电机驱动器接收控制器发来的脉冲信号,再把脉冲按一定序列分配给电机的各相线,从而控制电机的运动,因此要求控制器能够发出高速脉冲信号。
综合考虑性价比,本课题选用西门子S7-200CPU224DC/DC/DC型号的PLC作为控制器。
3.1S7-200的高速脉冲输出功能
S7-200有PTO、PWM两台高速脉冲发生器。
PTO脉冲串功能可输出指定个数、指定周期的方波脉冲(占空比50%);PWM功能可输出脉宽变化的脉冲信号,用户可以指定脉冲的周期和脉冲的宽度。
若一台发生器指定给数字输出点Q0.0,另一台发生器则指定给数字输出点Q0.1。
当PTO、PWM发生器控制输出时,将禁止输出点Q0.0、Q0.1的正常使用;当不使用PTO、PWM高速脉冲发生器时,输出点Q0.0、Q0.1恢复正常的使用,即由输出映像寄存器决定其输出状态。
3.1.1脉冲输出(PLS)指令
脉冲输出(PLS)指令功能为:
使能有效时,检查用于脉冲输出(Q0.0或Q0.1)的特殊存储器位(SM),然后执行特殊存储器位定义的脉冲操作。
指令格式如表3.1所示。
表3.1脉冲输出(PLS)指令格式
LAD
STL
操作数及数据类型
PLSQ
Q:
常量(0或1)
数据类型字
3.1.2用于脉冲输出(Q0.0或Q0.1)的特殊存储器
(1)控制字节和参数的特殊存储器
每个PTO/PWM发生器都有:
一个控制字节(8位)、一个脉冲计数值(无符号的32位数值)和一个周期时间和脉宽值(无符号的16位数值)。
这些值都放在特定的特殊存储区(SM),如表3.2所示。
执行PLS指令时,S7-200读这些特殊存储器位(SM),然后执行特殊存储器位定义的脉冲操作,即对相应的PTO/PWM发生器进行编程。
表3.2脉冲输出(Q0.0或Q0.1)的特殊存储器
Q0.0和Q0.1对PTO/PWM输出的控制字节
Q0.0
Q0.1
说明
SM67.0
SM77.0
PTO/PWM刷新周期值0:
不刷新;1:
刷新
SM67.1
SM77.1
PWM刷新脉冲宽度值0:
不刷新;1:
刷新
SM67.2
SM77.2
PTO刷新脉冲计数值0:
不刷新;1:
刷新
SM67.3
SM77.3
PTO/PWM时基选择0:
1µs;1:
1ms
SM
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