伺服驅動的PLC控制

1、專題 伺服驅動2 2022-4-11 西門子伺服概述2伺服和步進電動機的脈沖控制本章講述的主要內容:3 2022-4-1伺服電動機伺服電機是一種傳統(tǒng)的電機。它是自動裝置的執(zhí)行元件。伺服電機的最大特點是可控，在有控制信號時，伺服電機就轉動，且轉速大小正比于控制電壓的大小。去掉控制電壓后，伺服電機就立即停止轉動。伺服電機的應用甚廣，幾乎所有的自動控制系統(tǒng)都需要用到，在家電產品中，例如錄相機、激光唱機等都是不可缺少的重要組成部分。伺服電機一般分為直流伺服電機和交流伺服電機。1.1 伺服電機的介紹伺服電機的介紹4 2022-4-1對于直流伺服馬達，優(yōu)點是:精確的速度控制,轉矩速度特性很硬,原理簡單、使

2、用方便,價格優(yōu)勢。缺點是:電刷換向,速度限制,附加阻力,產生磨損微粒(對于無塵室)。對于交流伺服馬達，優(yōu)點是:良好的速度控制特性，在整個速度區(qū)內可實現(xiàn)平滑控制，幾乎無振蕩；高效率，90%以上，不發(fā)熱；高速控制；高精確位置控制（取決于何種編碼器）；額定運行區(qū)域內，實現(xiàn)恒力矩、低噪音、沒有電刷的磨損，免維護，不產生磨損顆粒、沒有火花，適用于無塵間、易暴環(huán)境，慣量比較低。缺點:控制較復雜,驅動器參數(shù)需要現(xiàn)場調整PID參數(shù)整定,需要更多的連線。1.1 伺服電機的介紹伺服電機的介紹5 2022-4-1西門子伺服電機常用的有以下幾大類：1. 1FK7 電機1FK7電機是高度緊湊型的永磁同步電機。根據(jù)不同的

3、應用，可以選擇相應的編碼器。 作為選件的集成齒輪箱和較寬的產品范圍使得1FK7 電機可以方便的應用到各種場合。他們可以滿足用戶對機器精益求精的要求。1FK7 電機與SINAMICS S120 高性能驅動系統(tǒng)的有機結合，可以完成速度和位置的精確控制。1FK7 電機只有自然風冷，沒有外部冷卻系統(tǒng)，熱量通過電機表面散發(fā)。1FK7 電機有很強的過載能力。1.1 伺服電機的介紹伺服電機的介紹6 2022-4-12. 1FT6 電機1FT6 電機為結構極為緊湊的永磁同步電機，安裝有內置式編碼器的1FT6 電機可以在西門子系列驅動系統(tǒng)上工作。西門子全數(shù)字驅動控制系統(tǒng)和1FT6 電機全新的編碼器技術滿足了在動

4、態(tài)性能、調速范圍以及速度和位置精度等方面的最高要求。1FT6 有自然風冷、強制風冷、水冷三種冷卻形式。自然風冷是過電機表面散發(fā)熱量，強制風冷通過外裝風扇散發(fā)熱量，而水冷能提高電機的保護等級和功率。1.1 伺服電機的介紹伺服電機的介紹7 2022-4-13. 扭矩電機扭矩電機，類似于線性電機，是一種基于同步驅動技術的直接驅動器。扭矩電機已進行了優(yōu)化，可在低轉速時產生較高的扭矩。1FW6電機是模塊化電機，它主要用于機床的旋轉工作臺或者擺角軸。使用1FW3電機，您就擁有了一臺可直接安裝的扭矩電機。由于緊湊的設計，這些電機意味著理想的機械結構方案，例如噴射鑄模和專用機床。這兩種電機都采用水冷卻，并有多

5、種尺寸和長度。1.1 伺服電機的介紹伺服電機的介紹8 2022-4-14. 1PH7 交流電機1PH7 交流電機是緊湊、強制風冷型鼠籠異步電機，保護等級為IP55。 電機是通過一個獨立安裝的風扇單元散熱。電機訂貨時可以選擇吹風從電機驅動端(DE)到電機非驅動端(NDE)或者相反。這些電機為連接變頻器采用了特殊的設計。根據(jù)控制要求，可以選擇合適的編碼器。這些編碼器用于檢測電機的速度和位置。1.1 伺服電機的介紹伺服電機的介紹9 2022-4-1PID控制器1.1 伺服電機的介紹伺服電機的介紹10 2022-4-1 一般伺服電機選擇考慮的問題一般伺服電機選擇考慮的問題（1）電機的最高轉速 電機選擇

6、首先依據(jù)機床快速行程速度。快速行程的電機轉速應嚴格控制在電機的額定轉速之內。 （2）慣量匹配問題及計算負載慣量 為了保證足夠的角加速度使系統(tǒng)反應靈敏和滿足系統(tǒng)的穩(wěn)定性要求, 負載慣量JL應限制在2.5倍電機慣量JM之內.1.1 伺服電機的介紹伺服電機的介紹11 2022-4-1（3）空載加速轉矩空載加速轉矩發(fā)生在執(zhí)行部件從靜止以階躍指令加速到快速時。一般應限定在變頻驅動系統(tǒng)最大輸出轉矩的80% 以內。（4）切削負載轉矩 在正常工作狀態(tài)下，切削負載轉矩 不超過電機額定轉矩 的80%。（5）連續(xù)過載時間 連續(xù)過載時間 應限制在電機規(guī)定過載時間 之內。1.1 伺服電機的介紹伺服電機的介紹12 202

7、2-4-11.2.1 SINAMICS V60/V80SINAMICS V60和V80伺服驅動器是為經濟型車床及銑床提供的一種驅動產品。該伺服驅動器總是與其對應的同等功率的伺服電機一起配套使用。伺服驅動器通過脈沖輸入接口來接受從上位控制器發(fā)來的脈沖序列，進行速度和位置控制，通過數(shù)字量接口信號來完成驅動器運行的控制和實時狀態(tài)的輸出。 由脈沖數(shù)量控制位置，由脈沖頻率控制速度。 SINAMICS V80功率有0.1、0.2、0.4、0.75KW四檔，進線電壓單相220VAC。SINAMICS V60功率有0.8、1.2、1.4、2.0KW四檔，進線電壓三相220VAC。1.2小型與經濟型伺服控制系統(tǒng)

8、小型與經濟型伺服控制系統(tǒng)SINAMICS V60/V8013 2022-4-1一套一套V60或或V80系統(tǒng)包括：系統(tǒng)包括：(1)驅動器驅動器 *V80，3倍過載能力，倍過載能力，IP10*V60，2倍過載能力，倍過載能力，IP20(2)伺服電機伺服電機1FL4 for V80，3000rpm，2500線線TTL Incremental Encoder，IP55 1FL5 for V60，2000rpm，2500線線TTL Incremental Encoder，IP64 *分帶不帶抱閘，分帶不帶抱閘，24VDC1.2小型與經濟型伺服控制系統(tǒng)小型與經濟型伺服控制系統(tǒng)SINAMICS V60/V8

9、014 2022-4-1(3)電機電纜電機電纜UVW V80的，由代理商提供插頭，客戶自己的，由代理商提供插頭，客戶自己做，長度最長做，長度最長20米，內含抱閘米，內含抱閘24V電纜，電纜，由外部獨立由外部獨立24V電源供電電源供電 V60的，固定的，固定5米或米或10米，抱閘電纜獨米，抱閘電纜獨立，立，5米或米或10米，伺服驅動器上有米，伺服驅動器上有24V電源電源端子，但還是需要外部端子，但還是需要外部24V (4)編碼器電纜編碼器電纜 *內含內含A，A-，B，B-，U，V，W， *由于含用由于含用UVW相位信號，不需要另對相位信號，不需要另對伺服電機磁極位置進行識別伺服電機磁極位置進行識

10、別V80由代理商提供插頭，客戶自己做，長由代理商提供插頭，客戶自己做，長度最長度最長20米米,V60的固定的固定5米或米或10米。米。1.2小型與經濟型伺服控制系統(tǒng)小型與經濟型伺服控制系統(tǒng)SINAMICS V60/V8015 2022-4-1（5）通訊電纜）通訊電纜 *與與PLC脈沖信號進行通訊的電纜，脈沖信號進行通訊的電纜，內 含 控 制 和 狀 態(tài) 的內 含 控 制 和 狀 態(tài) 的 D I O 信 號信 號 *V80的，由代理商提供插頭，客的，由代理商提供插頭，客戶自己做，長度最長戶自己做，長度最長3米。西門子定米。西門子定制的電纜為制的電纜為3米。米。 *V60的，固定的，固定3米米1.

11、2小型與經濟型伺服控制系統(tǒng)小型與經濟型伺服控制系統(tǒng)SINAMICS V60/V8016 2022-4-11.2小型與經濟型伺服控制系統(tǒng)小型與經濟型伺服控制系統(tǒng)SINAMICS V60/V80圖圖1 伺服驅動器及伺服電機伺服驅動器及伺服電機17 2022-4-11.2.2硬件系統(tǒng)的連接硬件系統(tǒng)的連接以以SINAMICS V80系統(tǒng)為例說明。系統(tǒng)為例說明。SINAMICS V80伺服驅動系統(tǒng)包括伺伺服驅動系統(tǒng)包括伺服驅動器和伺服電機兩部分，伺服驅服驅動器和伺服電機兩部分，伺服驅動器總是與其對應的同等功率的伺服動器總是與其對應的同等功率的伺服電機一起配套使用。電機一起配套使用。SINAMICS V8

12、0伺服驅動器通過脈沖輸入接口來接受伺服驅動器通過脈沖輸入接口來接受從上位控制器發(fā)來的脈沖序列，進行從上位控制器發(fā)來的脈沖序列，進行速度和位置的控制，通過數(shù)字量接口速度和位置的控制，通過數(shù)字量接口信號來完成驅動器運行的控制和實時信號來完成驅動器運行的控制和實時狀態(tài)的輸出。狀態(tài)的輸出。1.2小型與經濟型伺服控制系統(tǒng)小型與經濟型伺服控制系統(tǒng)SINAMICS V60/V8018 2022-4-11.2小型與經濟型伺服控制系統(tǒng)小型與經濟型伺服控制系統(tǒng)SINAMICS V60/V80圖圖2 伺服驅動器連線伺服驅動器連線19 2022-4-1驅動器上有一個脈沖設置旋轉開關用驅動器上有一個脈沖設置旋轉開關用來

13、設計脈沖分辨率以及指令脈沖類型來設計脈沖分辨率以及指令脈沖類型的。本設計選擇的。本設計選擇3，對應的分辨率是，對應的分辨率是10000。驅動器的四個連接器。驅動器的四個連接器X1、X2、X10和和X20相應的功能如圖相應的功能如圖3所所示：示：1.2小型與經濟型伺服控制系統(tǒng)小型與經濟型伺服控制系統(tǒng)SINAMICS V60/V8020 2022-4-11.2小型與經濟型伺服控制系統(tǒng)小型與經濟型伺服控制系統(tǒng)SINAMICS V60/V8021 2022-4-11.2小型與經濟型伺服控制系統(tǒng)小型與經濟型伺服控制系統(tǒng)SINAMICS V60/V8022 2022-4-11.2小型與經濟型伺服控制系統(tǒng)小

14、型與經濟型伺服控制系統(tǒng)SINAMICS V60/V8023 2022-4-1伺服電機控制系統(tǒng)的硬件組成如圖伺服電機控制系統(tǒng)的硬件組成如圖 4 所示。所示。S7-200根據(jù)要求發(fā)出高速脈根據(jù)要求發(fā)出高速脈沖和電機轉動的方向信號，經過驅動沖和電機轉動的方向信號，經過驅動器控制伺服電機旋轉；電機旋轉編碼器控制伺服電機旋轉；電機旋轉編碼器的輸出信號通過驅動器形成器的輸出信號通過驅動器形成A 相和相和B 相正交信號，經信號轉換以后作為相正交信號，經信號轉換以后作為S7-200 高速計數(shù)器的信號源，形成高速計數(shù)器的信號源，形成以以S7-200 為處理器的閉環(huán)控制系統(tǒng)。為處理器的閉環(huán)控制系統(tǒng)。伺服電機、伺服

15、驅動器和伺服電機、伺服驅動器和S7-200PLC 之間采用屏蔽電纜連接。之間采用屏蔽電纜連接。1.2小型與經濟型伺服控制系統(tǒng)小型與經濟型伺服控制系統(tǒng)SINAMICS V60/V8024 2022-4-11.2小型與經濟型伺服控制系統(tǒng)小型與經濟型伺服控制系統(tǒng)SINAMICS V60/V80圖圖4 PLC4 PLC與伺服驅動器的接線與伺服驅動器的接線25 2022-4-11.2.3 程序編寫程序編寫在伺服電機運行設計時，考慮到伺服電機在伺服電機運行設計時，考慮到伺服電機的平穩(wěn)啟停，設計了三段式脈沖方式，其的平穩(wěn)啟停，設計了三段式脈沖方式，其示意圖如示意圖如5所示。脈沖是分三段式走，即所示。脈沖是分

16、三段式走，即上升、恒速、下降三段，上升段是啟動時上升、恒速、下降三段，上升段是啟動時速度從一個比較低的值上升到一個比較高速度從一個比較低的值上升到一個比較高的值，下降段是電機制動時速度從一個比的值，下降段是電機制動時速度從一個比較高的值一直減小到一個比較小的值，這較高的值一直減小到一個比較小的值，這樣有利于保護電機。定義上升和下降段都樣有利于保護電機。定義上升和下降段都是走一百個脈沖，則剩余需走的脈沖在恒是走一百個脈沖，則剩余需走的脈沖在恒速段高速走完。另外當需走的脈沖數(shù)少于速段高速走完。另外當需走的脈沖數(shù)少于兩百個時，就以單段低速走，在每個脈沖兩百個時，就以單段低速走，在每個脈沖子程序中都會

17、先判斷是以單段式走還是以子程序中都會先判斷是以單段式走還是以三段式走。三段式走。1.2小型與經濟型伺服控制系統(tǒng)小型與經濟型伺服控制系統(tǒng)SINAMICS V60/V8026 2022-4-11.2小型與經濟型伺服控制系統(tǒng)小型與經濟型伺服控制系統(tǒng)SINAMICS V60/V80圖5 三段式脈沖示意圖27 2022-4-11 西門子伺服概述2伺服和步進電動機的脈沖控制本章講述的主要內容:28 2022-4-1為了配合步進和伺服電動機的控制，西門子PLC內置了脈沖輸出功能，并設置了相應的控制指令，可以很好地對步進和伺服電動機進行控制。本節(jié)將重點講解西門子S7-200 PLC脈沖輸出功能和步進電動機的控

18、制，伺服電動機的控制與步進電動機的基本相同。S7-300/400 PLC中也可以通過FM模塊實現(xiàn)步進和伺服控制，思路與S7-200 PLC一致，本節(jié)不再介紹。2.1概述概述29 2022-4-11. 脈沖輸出（PLS）指令脈沖輸出（PLS）指令功能為：使能有效時，檢查用于脈沖輸出（Q0.0或Q0.1）的特殊存儲器位（SM），然后執(zhí)行特殊存儲器位定義的脈沖操作。指令格式如表9-3所示。2.2 PLC的脈沖輸出的脈沖輸出30 2022-4-12. 用于脈沖輸出（Q0.0或Q0.1）的特殊存儲器每個PTO/PWM發(fā)生器都有一個控制字節(jié)（8位）、一個脈沖計數(shù)值（無符號的32位數(shù)值）、一個時間周期和脈寬

19、值（無符號的16位數(shù)值）。這些值都放在特定的特殊存儲區(qū)（SM），如表9-4所示。執(zhí)行PLS指令時，S7-200讀這些特殊存儲器位（SM），然后執(zhí)行特殊存儲器位定義的脈沖操作，即對相應的PTO/PWM發(fā)生器進行編程。2.2 PLC的脈沖輸出的脈沖輸出31 2022-4-12.2 PLC的脈沖輸出的脈沖輸出32 2022-4-13. Q0.0和Q0.1的共用PTO/PWM生成器和輸出映像寄存器共用Q0.0和Q0.1。在Q0.0或Q0.1使用PTO或PWM功能時，PTO/PWM發(fā)生器控制輸出，并禁止輸出點的正常使用，輸出波形不受輸出映像寄存器狀態(tài)、輸出強制、執(zhí)行立即輸出指令的影響；在Q0.0或Q0.

20、1位置沒有使用PTO或PWM功能時，輸出映像寄存器控制輸出，所以輸出映像寄存器決定輸出波形的初始和結束狀態(tài)，即決定脈沖輸出波形從高電平或低電平開始和結束，使輸出波形有短暫的不連續(xù)。 2.2 PLC的脈沖輸出的脈沖輸出33 2022-4-14. 線性脈沖串輸出（PTO）PTO可以實現(xiàn)占空比為1：2的高速脈沖串的輸出，脈沖數(shù)和周期可以由用戶定義。狀態(tài)字節(jié)中的最高位（空閑位）用來指示脈沖串輸出是否完成?？稍诿}沖串完成時啟動中斷程序，若使用多段操作，則在包絡表完成時啟動中斷程序。5. 脈寬可調脈沖（PWM）輸出PWM是脈寬可調的高速脈沖輸出，通過控制脈寬和脈沖的周期，實現(xiàn)控制任務。 2.2 PLC的脈

21、沖輸出的脈沖輸出34 2022-4-1步進電動機在起動和停止時有一個加速及減速過程，且加速度越小則沖擊越小，動作越平穩(wěn)。所以，步進電動機工作時一般要經歷這樣一個變化過程：加速恒速（高速）減速恒速（低速）停止。步進電動機轉速與脈沖頻率成正比，所以輸入步進電動機的脈沖頻率也要經過一個類似變化過程。步進電動機脈沖頻率變化規(guī)律如圖9-5所示。2.3 步進電動機的控制步進電動機的控制35 2022-4-12.3 步進電動機的控制步進電動機的控制圖9-5 步進電動機脈沖頻率變化規(guī)律36 2022-4-11. 通過指令向導組態(tài)PTOSTEP7-Micro/WIN提供了位置控制向導，可以幫助用戶方便地完成PT

22、O、PWM或位控模塊的組態(tài)。該向導可以生成位控指令，可以用這些指令在應用程序中對速度和位置進行動態(tài)控制。本小節(jié)通過PLC控制一個步進電動機的應用，說明利用STEP7-Micro/WIN位置控制向導來實現(xiàn)PTO控制步進電動機的具體操作過程。2.4 通過指令向導組態(tài)通過指令向導組態(tài)PTO/PWM37 2022-4-12.4 通過指令向導組態(tài)通過指令向導組態(tài)PTO/PWM圖9-6PTO的輸出點38 2022-4-12.4 通過指令向導組態(tài)通過指令向導組態(tài)PTO/PWM圖9-7 選擇PTO39 2022-4-12.4 通過指令向導組態(tài)通過指令向導組態(tài)PTO/PWM圖9-8 最高電動機速度和電動機的起動

23、/停止速度的數(shù)值40 2022-4-12.4 通過指令向導組態(tài)通過指令向導組態(tài)PTO/PWM圖9-9 輸入加速和減速時間41 2022-4-12.4 通過指令向導組態(tài)通過指令向導組態(tài)PTO/PWM圖9-10 建新包絡42 2022-4-12.4 通過指令向導組態(tài)通過指令向導組態(tài)PTO/PWM圖9-11 選擇包絡的操作模式43 2022-4-12.4 通過指令向導組態(tài)通過指令向導組態(tài)PTO/PWM圖9-12 包絡0中的第一步（步0）44 2022-4-12.4 通過指令向導組態(tài)通過指令向導組態(tài)PTO/PWM圖9-13 包絡0中的第二步（步1）45 2022-4-12.4 通過指令向導組態(tài)通過指令向導組態(tài)PTO/PWM圖9-14 包絡0中的第三步（步2）4