伺服驅(qū)動PLC控制

1、伺服驅(qū)動PLC控制第一頁，共51頁。1 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(nèi)容: 11/29/202111/30/202111/30/2021 11/29/202111/30/202111/30/202112/3/20212第二頁，共51頁。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(zhuǎn)動，且轉(zhuǎn)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(zhuǎn)動。伺服電機的應(yīng)用甚廣，幾乎所有的自動控制系統(tǒng)都需要用到，在家電產(chǎn)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

2、和交流伺服電機。1.1 伺服電機的介紹 11/29/202111/30/202111/30/2021 11/29/202111/30/202111/30/202112/3/20213第三頁，共51頁。對于直流伺服馬達，優(yōu)點是:精確的速度控制,轉(zhuǎn)矩速度特性很硬,原理簡單、使用方便,價格優(yōu)勢。缺點是:電刷換向,速度限制,附加阻力,產(chǎn)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(nèi)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(nèi)，實現(xiàn)恒力矩、低噪音、沒有電刷的磨損，免維護，不產(chǎn)生磨損顆粒、沒有火

3、花，適用于無塵間、易暴環(huán)境，慣量比較低。缺點:控制較復(fù)雜,驅(qū)動器參數(shù)需要現(xiàn)場調(diào)整PID參數(shù)整定,需要更多的連線。1.1 伺服電機的介紹 11/29/202111/30/202111/30/2021 11/29/202111/30/202111/30/202112/3/20214第四頁，共51頁。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)不同的應(yīng)用，可以選擇相應(yīng)的編碼器。 作為選件的集成齒輪箱和較寬的產(chǎn)品范圍使得1FK7 電機可以方便的應(yīng)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(qū)

4、動系統(tǒng)的有機結(jié)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 11/29/202111/30/202111/30/2021 11/29/202111/30/202111/30/202112/3/20215第五頁，共51頁。2. 1FT6 電機1FT6 電機為結(jié)構(gòu)極為緊湊的永磁同步電機，安裝有內(nèi)置式編碼器的1FT6 電機可以在西門子系列驅(qū)動系統(tǒng)上工作。西門子全數(shù)字驅(qū)動控制系統(tǒng)和1FT6 電機全新的編碼器技術(shù)滿足了在動態(tài)性能、調(diào)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

5、、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 11/29/202111/30/202111/30/2021 11/29/202111/30/202111/30/202112/3/20216第六頁，共51頁。3. 扭矩電機扭矩電機，類似于線性電機，是一種基于同步驅(qū)動技術(shù)的直接驅(qū)動器。扭矩電機已進行了優(yōu)化，可在低轉(zhuǎn)速時產(chǎn)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(zhuǎn)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(shè)計，這些電機意味著理想的機械結(jié)構(gòu)方案

6、，例如噴射鑄模和專用機床。這兩種電機都采用水冷卻，并有多種尺寸和長度。1.1 伺服電機的介紹 11/29/202111/30/202111/30/2021 11/29/202111/30/202111/30/202112/3/20217第七頁，共51頁。4. 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(qū)動端(DE)到電機非驅(qū)動端(NDE)或者相反。這些電機為連接變頻器采用了特殊的設(shè)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 1

7、1/29/202111/30/202111/30/2021 11/29/202111/30/202111/30/202112/3/20218第八頁，共51頁。PID控制器1.1 伺服電機的介紹 11/29/202111/30/202111/30/2021 11/29/202111/30/202111/30/202112/3/20219第九頁，共51頁。 一般伺服電機選擇考慮的問題（1）電機的最高轉(zhuǎn)速電機選擇首先依據(jù)機床快速行程速度?？焖傩谐痰碾姍C轉(zhuǎn)速應(yīng)嚴格控制在電機的額定轉(zhuǎn)速之內(nèi)。（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(yīng)靈敏和滿足系統(tǒng)的穩(wěn)定性要求,負載慣量JL應(yīng)限制在2

8、.5倍電機慣量JM之內(nèi).1.1 伺服電機的介紹 11/29/202111/30/202111/30/2021 11/29/202111/30/202111/30/202112/3/202110第十頁，共51頁。（3）空載加速轉(zhuǎn)矩空載加速轉(zhuǎn)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(yīng)限定在變頻驅(qū)動系統(tǒng)最大輸出轉(zhuǎn)矩的80%以內(nèi)。（4）切削負載轉(zhuǎn)矩在正常工作狀態(tài)下，切削負載轉(zhuǎn)矩不超過電機額定轉(zhuǎn)矩的80%。（5）連續(xù)過載時間連續(xù)過載時間應(yīng)限制在電機規(guī)定過載時間之內(nèi)。1.1 伺服電機的介紹 11/29/202111/30/202111/30/2021 11/29/202111/30/202111

9、/30/202112/3/202111第十一頁，共51頁。1.2.1 SINAMICS V60/V80SINAMICS V60和V80伺服驅(qū)動器是為經(jīng)濟型車床及銑床提供的一種驅(qū)動產(chǎn)品。該伺服驅(qū)動器總是與其對應(yīng)的同等功率的伺服電機一起配套使用。伺服驅(qū)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(qū)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

10、三相220VAC。1.2小型與經(jīng)濟型伺服控制系統(tǒng)SINAMICS V60/V80 11/29/202111/30/202111/30/2021 11/29/202111/30/202111/30/202112/3/202112第十二頁，共51頁。一套V60或V80系統(tǒng)包括：(1)驅(qū)動器 *V80，3倍過載能力，IP10*V60，2倍過載能力，IP20(2)伺服電機1FL4 for V80，3000rpm，2500線TTL Incremental Encoder，IP55 1FL5 for V60，2000rpm，2500線TTL Incremental Encoder，IP64 *分帶不帶抱閘

11、，24VDC1.2小型與經(jīng)濟型伺服控制系統(tǒng)SINAMICS V60/V80 11/29/202111/30/202111/30/2021 11/29/202111/30/202111/30/202112/3/202113第十三頁，共51頁。(3)電機電纜UVW V80的，由代理商提供插頭，客戶自己做，長度最長20米，內(nèi)含抱閘24V電纜，由外部獨立24V電源供電 V60的，固定5米或10米，抱閘電纜獨立，5米或10米，伺服驅(qū)動器上有24V電源端子，但還是需要外部24V (4)編碼器電纜 *內(nèi)含A，A-，B，B-，U，V，W， *由于含用UVW相位信號，不需要另對伺服電機磁極位置進行識別V80由代

12、理商提供插頭，客戶自己做，長度最長20米,V60的固定5米或10米。1.2小型與經(jīng)濟型伺服控制系統(tǒng)SINAMICS V60/V80 11/29/202111/30/202111/30/2021 11/29/202111/30/202111/30/202112/3/202114第十四頁，共51頁。（5）通訊電纜 *與PLC脈沖信號進行通訊的電纜，內(nèi)含控制和狀態(tài)的DIO信號 *V80的，由代理商提供插頭，客戶自己做，長度最長3米。西門子定制的電纜為3米。 *V60的，固定3米1.2小型與經(jīng)濟型伺服控制系統(tǒng)SINAMICS V60/V80 11/29/202111/30/202111/30/2021

13、 11/29/202111/30/202111/30/202112/3/202115第十五頁，共51頁。1.2小型與經(jīng)濟型伺服控制系統(tǒng)SINAMICS V60/V80圖1 伺服驅(qū)動器及伺服電機 11/29/202111/30/202111/30/2021 11/29/202111/30/202111/30/202112/3/202116第十六頁，共51頁。硬件系統(tǒng)的連接以SINAMICS V80系統(tǒng)為例說明。SINAMICS V80伺服驅(qū)動系統(tǒng)包括伺服驅(qū)動器和伺服電機兩部分，伺服驅(qū)動器總是與其對應(yīng)的同等功率的伺服電機一起配套使用。SINAMICS V80伺服驅(qū)動器通過脈沖輸入接口來接受從上位控

14、制器發(fā)來的脈沖序列，進行速度和位置的控制，通過數(shù)字量接口信號來完成驅(qū)動器運行的控制和實時狀態(tài)的輸出。1.2小型與經(jīng)濟型伺服控制系統(tǒng)SINAMICS V60/V80 11/29/202111/30/202111/30/2021 11/29/202111/30/202111/30/202112/3/202117第十七頁，共51頁。1.2小型與經(jīng)濟型伺服控制系統(tǒng)SINAMICS V60/V80圖2 伺服驅(qū)動器連線 11/29/202111/30/202111/30/2021 11/29/202111/30/202111/30/202112/3/202118第十八頁，共51頁。驅(qū)動器上有一個脈沖設(shè)置旋

15、轉(zhuǎn)開關(guān)用來設(shè)計脈沖分辨率以及指令脈沖類型的。本設(shè)計選擇3，對應(yīng)的分辨率是10000。驅(qū)動器的四個連接器X1、X2、X10和X20相應(yīng)的功能如圖3所示：1.2小型與經(jīng)濟型伺服控制系統(tǒng)SINAMICS V60/V80 11/29/202111/30/202111/30/2021 11/29/202111/30/202111/30/202112/3/202119第十九頁，共51頁。1.2小型與經(jīng)濟型伺服控制系統(tǒng)SINAMICS V60/V80 11/29/202111/30/202111/30/2021 11/29/202111/30/202111/30/202112/3/202120第二十頁，共5

16、1頁。1.2小型與經(jīng)濟型伺服控制系統(tǒng)SINAMICS V60/V80 11/29/202111/30/202111/30/2021 11/29/202111/30/202111/30/202112/3/202121第二十一頁，共51頁。1.2小型與經(jīng)濟型伺服控制系統(tǒng)SINAMICS V60/V80 11/29/202111/30/202111/30/2021 11/29/202111/30/202111/30/202112/3/202122第二十二頁，共51頁。伺服電機控制系統(tǒng)的硬件組成如圖 4 所示。S7-200根據(jù)要求發(fā)出高速脈沖和電機轉(zhuǎn)動的方向信號，經(jīng)過驅(qū)動器控制伺服電機旋轉(zhuǎn)；電機旋轉(zhuǎn)編

17、碼器的輸出信號通過驅(qū)動器形成A 相和B 相正交信號，經(jīng)信號轉(zhuǎn)換以后作為S7-200 高速計數(shù)器的信號源，形成以S7-200 為處理器的閉環(huán)控制系統(tǒng)。伺服電機、伺服驅(qū)動器和S7-200PLC 之間采用屏蔽電纜連接。1.2小型與經(jīng)濟型伺服控制系統(tǒng)SINAMICS V60/V80 11/29/202111/30/202111/30/2021 11/29/202111/30/202111/30/202112/3/202123第二十三頁，共51頁。1.2小型與經(jīng)濟型伺服控制系統(tǒng)SINAMICS V60/V80圖4 PLC與伺服驅(qū)動器的接線 11/29/202111/30/202111/30/2021 1

18、1/29/202111/30/202111/30/202112/3/202124第二十四頁，共51頁。1.2.3 程序編寫在伺服電機運行設(shè)計時，考慮到伺服電機的平穩(wěn)啟停，設(shè)計了三段式脈沖方式，其示意圖如5所示。脈沖是分三段式走，即上升、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，在每個脈沖子程序中都會先判斷是以單段式走還是以三段式走。1.2小型與經(jīng)濟型伺服控制系統(tǒng)SIN

19、AMICS V60/V80 11/29/202111/30/202111/30/2021 11/29/202111/30/202111/30/202112/3/202125第二十五頁，共51頁。1.2小型與經(jīng)濟型伺服控制系統(tǒng)SINAMICS V60/V80圖5 三段式脈沖示意圖 11/29/202111/30/202111/30/2021 11/29/202111/30/202111/30/202112/3/202126第二十六頁，共51頁。1 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(nèi)容: 11/29/202111/30/202111/30/2021 11/29/202111

20、/30/202111/30/202112/3/202127第二十七頁，共51頁。為了配合步進和伺服電動機的控制，西門子PLC內(nèi)置了脈沖輸出功能，并設(shè)置了相應(yīng)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 11/29/202111/30/202111/30/2021 11/29/202111/30/202111/30/202112/3/202128第二十八頁，

21、共51頁。1. 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 11/29/202111/30/202111/30/2021 11/29/202111/30/202111/30/202112/3/202129第二十九頁，共51頁。2. 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值（無符號的16位數(shù)值）。這些值都放在特定的特殊

22、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(yīng)的PTO/PWM發(fā)生器進行編程。2.2 PLC的脈沖輸出 11/29/202111/30/202111/30/2021 11/29/202111/30/202111/30/202112/3/202130第三十頁，共51頁。2.2 PLC的脈沖輸出 11/29/202111/30/202111/30/2021 11/29/202111/30/202111/30/202112/3/202131第三十一頁，共51頁。3. Q0.0和Q0.1的共用PTO/PWM生成器和

23、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Q0.1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(jié)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(jié)束，使輸出波形有短暫的不連續(xù)。 2.2 PLC的脈沖輸出 11/29/202111/30/202111/30/2021 11/29/202111/30/202111/30/202112/3/202132第三十二頁，共51頁。4.

24、 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(luò)表完成時啟動中斷程序。5. 脈寬可調(diào)脈沖（PWM）輸出PWM是脈寬可調(diào)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(wù)。 2.2 PLC的脈沖輸出 11/29/202111/30/202111/30/2021 11/29/202111/30/202111/30/202112/3/202133第三十三頁，共51頁。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

25、，動作越平穩(wěn)。所以，步進電動機工作時一般要經(jīng)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(zhuǎn)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(jīng)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 11/29/202111/30/202111/30/2021 11/29/202111/30/202111/30/202112/3/202134第三十四頁，共51頁。2.3 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 11/29/202111/30/202111/30/2021 11/29/202111/30/202111/30/2

26、02112/3/202135第三十五頁，共51頁。1. 通過指令向?qū)ЫM態(tài)PTOSTEP7-Micro/WIN提供了位置控制向?qū)?，可以幫助用戶方便地完成PTO、PWM或位控模塊的組態(tài)。該向?qū)Э梢陨晌豢刂噶?，可以用這些指令在應(yīng)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(yīng)用，說明利用STEP7-Micro/WIN位置控制向?qū)韺崿F(xiàn)PTO控制步進電動機的具體操作過程。2.4 通過指令向?qū)ЫM態(tài)PTO/PWM 11/29/202111/30/202111/30/2021 11/29/202111/30/202111/30/202112/3/202136第三十六頁，共51頁。2

27、.4 通過指令向?qū)ЫM態(tài)PTO/PWM圖9-6PTO的輸出點 11/29/202111/30/202111/30/2021 11/29/202111/30/202111/30/202112/3/202137第三十七頁，共51頁。2.4 通過指令向?qū)ЫM態(tài)PTO/PWM圖9-7 選擇PTO 11/29/202111/30/202111/30/2021 11/29/202111/30/202111/30/202112/3/202138第三十八頁，共51頁。2.4 通過指令向?qū)ЫM態(tài)PTO/PWM圖9-8 最高電動機速度和電動機的起動/停止速度的數(shù)值 11/29/202111/30/202111/30/2

28、021 11/29/202111/30/202111/30/202112/3/202139第三十九頁，共51頁。2.4 通過指令向?qū)ЫM態(tài)PTO/PWM圖9-9 輸入加速和減速時間 11/29/202111/30/202111/30/2021 11/29/202111/30/202111/30/202112/3/202140第四十頁，共51頁。2.4 通過指令向?qū)ЫM態(tài)PTO/PWM圖9-10 建新包絡(luò) 11/29/202111/30/202111/30/2021 11/29/202111/30/202111/30/202112/3/202141第四十一頁，共51頁。2.4 通過指令向?qū)ЫM態(tài)PTO

29、/PWM圖9-11 選擇包絡(luò)的操作模式 11/29/202111/30/202111/30/2021 11/29/202111/30/202111/30/202112/3/202142第四十二頁，共51頁。2.4 通過指令向?qū)ЫM態(tài)PTO/PWM圖9-12 包絡(luò)0中的第一步（步0） 11/29/202111/30/202111/30/2021 11/29/202111/30/202111/30/202112/3/202143第四十三頁，共51頁。2.4 通過指令向?qū)ЫM態(tài)PTO/PWM圖9-13 包絡(luò)0中的第二步（步1） 11/29/202111/30/202111/30/2021 11/29/202111/30/202111/30/202112/3/202144第四十四頁，共51頁。2.4 通過指令向?qū)ЫM態(tài)PTO/PWM圖9-14 包絡(luò)0中的第三步（步2） 11/29/202111/30/202111/30/2021 11/29/202111/30/202111/30/202112/3/202145第四十五頁，共51頁。2.4 通過指令向?qū)ЫM態(tài)PTO/PWM圖9-15 配置分配存儲區(qū) 11/29/202111/30/202111/30/2021 11/29/