《運(yùn)動(dòng)控制技術(shù)及應(yīng)用》課件 項(xiàng)目3-任務(wù)2 基于 PLC 與伺服電機(jī)的送料控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2025/3/201【任務(wù)目標(biāo)】本任務(wù)主要是利用PLC控制伺服電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)取料和放料。任務(wù)具體要求為：有一單軸系統(tǒng)由交流伺服驅(qū)動(dòng)器及交流伺服電機(jī)和傳動(dòng)機(jī)構(gòu)組成，工作示意圖如圖所示。絲杠的螺距是5mm，脈沖當(dāng)量是1μm,開始取料位置距離原點(diǎn)為100mm，結(jié)束放料位置距離原點(diǎn)位置500mm。設(shè)備上電后根據(jù)需要通過觸摸屏操作，有手動(dòng)控制與自動(dòng)控制。手動(dòng)控制時(shí)，按下正向或反向點(diǎn)動(dòng)按鈕，伺服電機(jī)能夠正向或反向點(diǎn)動(dòng)運(yùn)行,可以手動(dòng)回原點(diǎn)以及軸錯(cuò)復(fù)位操作。自動(dòng)控制時(shí)，按下啟動(dòng)按鈕，伺服控制系統(tǒng)首先回原點(diǎn)，然后在開始取料位置和放料位置之間執(zhí)行定位控制運(yùn)行，反復(fù)循環(huán)。按下停止按鈕，伺服電機(jī)停止運(yùn)行。2025/3/202【任務(wù)目標(biāo)】通過這個(gè)任務(wù)的完成達(dá)到以下教學(xué)目標(biāo)。1.知識目標(biāo)(1)學(xué)習(xí)與掌握伺服位置控制模式。(2)學(xué)習(xí)與掌握電子齒輪2.技能目標(biāo)(1)會進(jìn)行伺服位置控制系統(tǒng)電氣接線、參數(shù)設(shè)置。(2)會進(jìn)行伺服位置控制系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)、調(diào)試運(yùn)行。2025/3/203【任務(wù)分析】本任務(wù)主要是在前面所學(xué)有關(guān)伺服電機(jī)和伺服驅(qū)動(dòng)器知識的基礎(chǔ)上，利用PLC來完成系統(tǒng)運(yùn)行控制，這個(gè)任務(wù)主要是讓我們學(xué)習(xí)伺服驅(qū)動(dòng)器在位置控制方式下如何進(jìn)行設(shè)置和電子齒輪閉的有關(guān)計(jì)算，通過教師的講授，引導(dǎo)學(xué)生學(xué)會查閱有關(guān)資料來完成本任務(wù)。2025/3/204【知識準(zhǔn)備】伺服驅(qū)動(dòng)器提供位置、速度、轉(zhuǎn)矩三種基本控制模式，可使用單一控制模式，也可選擇使用混合模式來進(jìn)行控制。速度控制和轉(zhuǎn)矩控制-般用模擬量來控制，也可以用端子配合參數(shù)來控制。位置控制是通過脈沖來控制的。如果對電動(dòng)機(jī)的速度、位置都沒有要求，只要求輸出一個(gè)恒轉(zhuǎn)矩，應(yīng)使用轉(zhuǎn)矩控制模式。如果對位置和速度有一定的精度要求，而對實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)矩不是很關(guān)心，使用轉(zhuǎn)矩控制模式不太方便，使用速度或位置控制模式比較好。如果上位控制器有比較好的閉環(huán)控制功能，使用速度控制模式效果會好一點(diǎn)。如果本身要求不是很高，或者基本沒有實(shí)時(shí)性的要求，應(yīng)使用位置控制模式。就伺服驅(qū)動(dòng)器的響應(yīng)速度來看，轉(zhuǎn)矩控制模式運(yùn)算量最小，伺服驅(qū)動(dòng)器對控制信號的響應(yīng)最快；位置控制模式運(yùn)算量最大，伺服驅(qū)動(dòng)器對控制信號的響應(yīng)最慢。2025/3/205【知識準(zhǔn)備】一.位置控制位置控制模式一般是通過外部輸入脈沖的頻率來確定轉(zhuǎn)動(dòng)速度的大小，通過脈沖的個(gè)數(shù)來確定轉(zhuǎn)動(dòng)的角度，也有些伺服系統(tǒng)可以通過通信方式直接對速度和位移進(jìn)行賦值。由于位置控制模式可以對速度和位置都有很嚴(yán)格的控制，所以一般應(yīng)用于精密定位裝置，應(yīng)用領(lǐng)域如數(shù)控機(jī)床、印刷機(jī)械等。2025/3/206【知識準(zhǔn)備】一.位置控制1.位置控制模式標(biāo)準(zhǔn)接線三菱MR-JE-10A伺服驅(qū)動(dòng)器在使用漏型輸入輸出接口時(shí)，與FX5UPLC在位置控制模式下的標(biāo)準(zhǔn)接線參考圖如圖所示。2025/3/207【知識準(zhǔn)備】一.位置控制2.位置控制模式伺服驅(qū)動(dòng)器參數(shù)設(shè)置對于位置控制模式，主要變更基本設(shè)置參數(shù)([Pr.PA__])就能夠使用。3.位置控制模式電子齒輪（1）編碼器分辨率編碼器分辨率即為伺服電動(dòng)機(jī)的編碼器的分辨率，也就是伺服馬達(dá)旋轉(zhuǎn)一圈，編碼器所能產(chǎn)生的反饋脈沖數(shù)。編碼器分辨率是一個(gè)固定的常數(shù)，伺服電動(dòng)機(jī)選好后，編碼器分辨率也就固定了。（2）絲杠螺距絲杠即為螺紋式的螺桿，電動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)時(shí)，帶動(dòng)絲杠旋轉(zhuǎn)，絲杠旋轉(zhuǎn)后，可帶動(dòng)滑塊作前進(jìn)或后退的動(dòng)作。如圖所示。2025/3/208【知識準(zhǔn)備】一.位置控制3.位置控制模式電子齒輪（3）脈沖當(dāng)量脈沖當(dāng)量即為上位機(jī)（PLC）發(fā)出一個(gè)脈沖，實(shí)際工作臺所能移動(dòng)的距離。因此脈沖當(dāng)量也就是伺服系統(tǒng)的精度。比如說脈沖當(dāng)量規(guī)定為1μm，則表示上位機(jī)（PLC）發(fā)出一個(gè)脈沖，實(shí)際工作臺可以移動(dòng)1μm。因?yàn)镻LC最少只能發(fā)一個(gè)脈沖，因此伺服系統(tǒng)的精度就是脈沖當(dāng)量的精度，也就是1μm。2025/3/209【知識準(zhǔn)備】一.位置控制3.位置控制模式電子齒輪（3）脈沖當(dāng)量例1.以圖示為例，伺服電機(jī)上編碼器分辨率為131072，絲杠螺距是10mm，脈沖當(dāng)量為10μm，計(jì)算電子齒輪是多少？解：脈沖當(dāng)量為10μm，表示PLC發(fā)一個(gè)脈沖工作臺可以移動(dòng)10μm，那么要讓工作臺移動(dòng)一個(gè)螺距（10mm），則PLC需要發(fā)出1000個(gè)脈沖，相當(dāng)于PLC發(fā)出1000個(gè)脈沖，工作臺可以移動(dòng)一個(gè)螺距。那工作臺移動(dòng)一個(gè)螺距，絲杠需要轉(zhuǎn)一圈，伺服電動(dòng)機(jī)也是需要轉(zhuǎn)一圈，伺服電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)一圈，編碼器能產(chǎn)生131072個(gè)脈沖。根據(jù)：PLC發(fā)的脈沖數(shù)×電子齒輪=編碼器反饋的脈沖數(shù)1000×電子齒輪=131072電子齒輪=131072/10002025/3/2010【知識準(zhǔn)備】一.位置控制3.位置控制模式電子齒輪（3）脈沖當(dāng)量例2.以圖示為例。伺服電動(dòng)機(jī)通過變速機(jī)構(gòu)和絲杠相連，伺服編碼器分辨率為131072。絲杠的螺距是5mm，脈沖當(dāng)量是1μm。求電子齒輪。解：脈沖當(dāng)量為1μm，表示PLC發(fā)一個(gè)脈沖工作臺可以移動(dòng)1μm，那么要讓工作臺移動(dòng)一個(gè)螺距（5mm），則PLC需要發(fā)出5000個(gè)脈沖，相當(dāng)于PLC發(fā)出5000個(gè)脈沖，工作臺可以移動(dòng)一個(gè)螺距。要絲杠轉(zhuǎn)動(dòng)一周，由于有變速機(jī)構(gòu)的作用，電動(dòng)機(jī)要轉(zhuǎn)3/2周。所以上位機(jī)發(fā)脈沖的個(gè)數(shù)是5000，電動(dòng)機(jī)反饋回來的脈沖是131072×3/25000×電子齒輪=131072×3/2電子齒輪=24576/6252025/3/2011【知識準(zhǔn)備】一.位置控制3.位置控制模式電子齒輪（3）脈沖當(dāng)量例2.以圖示為例。伺服電機(jī)通過帶傳動(dòng)與轉(zhuǎn)盤連接時(shí)，假設(shè)要求脈沖當(dāng)量是0.01°，伺服編碼器分辨率為131072。求電子齒輪。

解：脈沖當(dāng)量為0.01°，表示PLC發(fā)一個(gè)脈沖轉(zhuǎn)盤可以轉(zhuǎn)動(dòng)0.01°，由于圖中伺服電機(jī)和轉(zhuǎn)盤連接的軸直徑不同，所以那么要讓轉(zhuǎn)盤旋轉(zhuǎn)一周360°，伺服電動(dòng)機(jī)要轉(zhuǎn)動(dòng)兩周，則PLC需要發(fā)出36000個(gè)脈沖，相當(dāng)于PLC發(fā)出36000個(gè)脈沖，轉(zhuǎn)盤可以旋轉(zhuǎn)一周，而此時(shí)伺服電動(dòng)機(jī)卻要轉(zhuǎn)動(dòng)兩周，故伺服電動(dòng)機(jī)反饋脈沖數(shù)是131072×2。

36000×電子齒輪=131072×2

電子齒輪=8192/11252025/3/2012【知識準(zhǔn)備】二.混合控制模式除了單一控制模式以外，伺服驅(qū)動(dòng)器也提供混合模式可供選用。三菱MR-JE-10A伺服驅(qū)動(dòng)器混合控制模式有位置速度控制模式、速度/轉(zhuǎn)矩控制模式、轉(zhuǎn)矩位置控制模式。需說明的是，所謂混合控制模式是指在兩種控制模式間切換，有服電動(dòng)機(jī)同一時(shí)刻只能工作在一種控制模式下。1.位置/速度控制切換模式要使用位置/速度控制切換模式，將[Pr.PA01]設(shè)置為“___1”。2.速度/轉(zhuǎn)矩控制切換模式要使用速度/轉(zhuǎn)矩控制切換模式時(shí)，將[Pr.PA01]設(shè)置為“___3”。3.轉(zhuǎn)矩/位置控制切換模式要使用轉(zhuǎn)矩/位置控制切換模式時(shí)，將[Pr.PA01]設(shè)置為“___5”。2025/3/2013【任務(wù)實(shí)施】1.根據(jù)控制要求畫出控制系統(tǒng)原理圖并完成硬件連接根據(jù)任務(wù)要求經(jīng)過工作過程分析我們得到如表所示的PLC地址分配表。輸入輸出正向點(diǎn)動(dòng)按鈕SB0X0脈沖信號輸出Y0反向點(diǎn)動(dòng)按鈕SB1X1脈沖方向輸出Y4啟動(dòng)按鈕SB2X2伺服ON信號Y5停止按鈕SB3X3清除滯留脈沖Y6原點(diǎn)回歸按鈕SB4X4

原點(diǎn)位置傳感器BGX5

本系統(tǒng)主要由FX5U-32MT、三菱MR-JE-10A伺服驅(qū)動(dòng)器、HG-KN_-S100伺服電機(jī)、三菱GS2107觸摸屏、按鈕、位置傳感器（行程開關(guān)）、指示燈等組成。根據(jù)I/O分配表，整個(gè)系統(tǒng)原理圖如圖所示。在圖中SQ1、SQ2為正反向行程末端的兩個(gè)安全傳感器，當(dāng)這兩個(gè)安全傳感器為接通時(shí)，伺服驅(qū)動(dòng)器才能正常工作，這兩個(gè)傳感器相當(dāng)于一個(gè)硬件安全保護(hù)措施；SB5為伺服強(qiáng)制停止按鈕，伺服正常工作時(shí)應(yīng)為常ON；為了方便調(diào)試操作增加了緊急停止按鈕和伺服本身的啟動(dòng)和停止按鈕。根據(jù)工藝規(guī)范要求連接好硬件設(shè)備。2025/3/2014【任務(wù)實(shí)施】1.根據(jù)控制要求畫出控制系統(tǒng)原理圖并完成硬件連接系統(tǒng)原理圖如圖所示2025/3/2015【任務(wù)實(shí)施】2.觸摸屏設(shè)計(jì)由于任務(wù)中要求有手動(dòng)和自動(dòng)兩種操作方式，由于每種操作的界面都比較簡單，所以我們可以將這兩種操作方式放在一個(gè)界面就可以，相關(guān)軟元件的關(guān)聯(lián)為軸錯(cuò)誤復(fù)位按鈕M200、軸正向、反向JOG按鈕M201、M203，回原點(diǎn)按鈕M210，啟動(dòng)按鈕M220，停止按鈕M230，運(yùn)行速度設(shè)定D300。2025/3/2016【任務(wù)實(shí)施】3.PLC程序設(shè)計(jì)2025/3/2017【任務(wù)實(shí)施】3.PLC程序設(shè)計(jì)2025/3/2018【任務(wù)實(shí)施】3.PLC程序設(shè)計(jì)4.設(shè)備上電，伺服系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置，觸摸屏和PLC程序下載。系統(tǒng)整體調(diào)試。2025/3/2019【任務(wù)總結(jié)】位置控制模式一般是通過外部輸入的脈沖的頻率來確定轉(zhuǎn)動(dòng)速度的大小，通過脈沖的個(gè)數(shù)來確定轉(zhuǎn)動(dòng)的角度，也有些伺服可以通過通訊方式直接對速度和位移進(jìn)行賦值。在本項(xiàng)目任務(wù)中我們雖然是通過“脈沖+方向”形式來實(shí)現(xiàn)的，但在程序中并有出現(xiàn)以往在FX2N中的輸出一個(gè)方向和一個(gè)脈沖的程序語句，這是因?yàn)樵贔X5U的編程軟件GXworks3中我們已經(jīng)進(jìn)行了高速輸入輸出的設(shè)置了方向和脈沖對應(yīng)的輸出端子，因此我們只要在程序中制定哪一個(gè)軸輸出就可以了。另外伺服的運(yùn)行模式出了位置控制模式以外還有速度控制模式和轉(zhuǎn)矩控制模式這兩種模式2025/3/2020【任務(wù)總結(jié)】1.速度控制通過模擬量的輸入或脈沖頻率都可以進(jìn)行速度的控制。速度控制模式被應(yīng)用于精密控速的場合，例如CNC加工機(jī)。一般伺服驅(qū)動(dòng)器的速度有兩種輸入模式:模擬指令輸入及指令寄存器輸入。模擬指令輸入由外部的模擬電壓來控制電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速（這與變頻器采用模擬量輸入來調(diào)速控制相似）。指令寄存器輸入有兩種應(yīng)用方式:第一種為使用者在操作前，先將不同速度指令值設(shè)置于三個(gè)指令寄存器，再由I/O端子中的DI信號進(jìn)行切換（這與變頻器的多段速控制有相似的地方）;第二種為利用通信方式來改變指令寄存器的內(nèi)容值，選擇的方式由IO端子中的DI信號決定。2025/3/2021【任務(wù)總結(jié)】2.轉(zhuǎn)矩控制轉(zhuǎn)矩控制模式被應(yīng)用于需要做扭力控制或張力的場合，主要應(yīng)用在對材質(zhì)的受力