伺服驅(qū)動PLC控制課件

專題伺服驅(qū)動1西門子伺服概述2伺服和步進(jìn)電動機(jī)的脈沖控制本章講述的主要內(nèi)容:3/20/20193/20/20193/21/20193/21/20197/20/20232伺服電動機(jī)伺服電機(jī)是一種傳統(tǒng)的電機(jī)。它是自動裝置的執(zhí)行元件。伺服電機(jī)的最大特點是可控，在有控制信號時，伺服電機(jī)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(jī)就立即停止轉(zhuǎn)動。伺服電機(jī)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(jī)、激光唱機(jī)等都是不可缺少的重要組成部分。伺服電機(jī)一般分為直流伺服電機(jī)和交流伺服電機(jī)。1.1伺服電機(jī)的介紹3/20/20193/20/20193/21/20193/21/20197/20/20233對于直流伺服馬達(dá)，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(dá)，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(hù)，不產(chǎn)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(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(jī)的介紹3/20/20193/20/20193/21/20193/21/20197/20/20234西門子伺服電機(jī)常用的有以下幾大類：1.1FK7電機(jī)1FK7電機(jī)是高度緊湊型的永磁同步電機(jī)。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(jī)可以方便的應(yīng)用到各種場合。他們可以滿足用戶對機(jī)器精益求精的要求。1FK7電機(jī)與SINAMICSS120高性能驅(qū)動系統(tǒng)的有機(jī)結(jié)合，可以完成速度和位置的精確控制。1FK7電機(jī)只有自然風(fēng)冷，沒有外部冷卻系統(tǒng)，熱量通過電機(jī)表面散發(fā)。1FK7電機(jī)有很強的過載能力。1.1伺服電機(jī)的介紹3/20/20193/20/20193/21/20193/21/20197/20/202352.1FT6電機(jī)1FT6電機(jī)為結(jié)構(gòu)極為緊湊的永磁同步電機(jī)，安裝有內(nèi)置式編碼器的1FT6電機(jī)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(jī)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(fēng)冷、強制風(fēng)冷、水冷三種冷卻形式。自然風(fēng)冷是過電機(jī)表面散發(fā)熱量，強制風(fēng)冷通過外裝風(fēng)扇散發(fā)熱量，而水冷能提高電機(jī)的保護(hù)等級和功率。1.1伺服電機(jī)的介紹3/20/20193/20/20193/21/20193/21/20197/20/202363.扭矩電機(jī)扭矩電機(jī)，類似于線性電機(jī)，是一種基于同步驅(qū)動技術(shù)的直接驅(qū)動器。扭矩電機(jī)已進(jìn)行了優(yōu)化，可在低轉(zhuǎn)速時產(chǎn)生較高的扭矩。1FW6電機(jī)是模塊化電機(jī)，它主要用于機(jī)床的旋轉(zhuǎn)工作臺或者擺角軸。使用1FW3電機(jī)，您就擁有了一臺可直接安裝的扭矩電機(jī)。由于緊湊的設(shè)計，這些電機(jī)意味著理想的機(jī)械結(jié)構(gòu)方案，例如噴射鑄模和專用機(jī)床。這兩種電機(jī)都采用水冷卻，并有多種尺寸和長度。1.1伺服電機(jī)的介紹3/20/20193/20/20193/21/20193/21/20197/20/202374.1PH7交流電機(jī)1PH7交流電機(jī)是緊湊、強制風(fēng)冷型鼠籠異步電機(jī)，保護(hù)等級為IP55。電機(jī)是通過一個獨立安裝的風(fēng)扇單元散熱。電機(jī)訂貨時可以選擇吹風(fēng)從電機(jī)驅(qū)動端(DE)到電機(jī)非驅(qū)動端(NDE)或者相反。這些電機(jī)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(jī)的速度和位置。1.1伺服電機(jī)的介紹3/20/20193/20/20193/21/20193/21/20197/20/20238PID控制器1.1伺服電機(jī)的介紹3/20/20193/20/20193/21/20193/21/20197/20/20239一般伺服電機(jī)選擇考慮的問題（1）電機(jī)的最高轉(zhuǎn)速

電機(jī)選擇首先依據(jù)機(jī)床快速行程速度?？焖傩谐痰碾姍C(jī)轉(zhuǎn)速應(yīng)嚴(yán)格控制在電機(jī)的額定轉(zhuǎn)速之內(nèi)。

（2）慣量匹配問題及計算負(fù)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(fù)載慣量JL應(yīng)限制在2.5倍電機(jī)慣量JM之內(nèi).1.1伺服電機(jī)的介紹3/20/20193/20/20193/21/20193/21/20197/20/202310（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(fù)載轉(zhuǎn)矩

在正常工作狀態(tài)下，切削負(fù)載轉(zhuǎn)矩

不超過電機(jī)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(jī)規(guī)定過載時間

之內(nèi)。1.1伺服電機(jī)的介紹3/20/20193/20/20193/21/20193/21/20197/20/2023111.2.1SINAMICSV60/V80SINAMICSV60和V80伺服驅(qū)動器是為經(jīng)濟(jì)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(jī)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(jìn)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。

SINAMICSV80功率有0.1、0.2、0.4、0.75KW四檔，進(jìn)線電壓單相220VAC。SINAMICSV60功率有0.8、1.2、1.4、2.0KW四檔，進(jìn)線電壓三相220VAC。1.2小型與經(jīng)濟(jì)型伺服控制系統(tǒng)SINAMICSV60/V803/20/20193/20/20193/21/20193/21/20197/20/202312一套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(jī)1FL4forV80，3000rpm，2500線TTLIncrementalEncoder，IP55

1FL5forV60，2000rpm，2500線TTLIncrementalEncoder，IP64

*分帶不帶抱閘，24VDC1.2小型與經(jīng)濟(jì)型伺服控制系統(tǒng)SINAMICSV60/V803/20/20193/20/20193/21/20193/21/20197/20/202313(3)電機(jī)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(jī)磁極位置進(jìn)行識別V80由代理商提供插頭，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(jì)型伺服控制系統(tǒng)SINAMICSV60/V803/20/20193/20/20193/21/20193/21/20197/20/202314（5）通訊電纜

*與PLC脈沖信號進(jìn)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(jì)型伺服控制系統(tǒng)SINAMICSV60/V803/20/20193/20/20193/21/20193/21/20197/20/2023151.2小型與經(jīng)濟(jì)型伺服控制系統(tǒng)SINAMICSV60/V80圖1伺服驅(qū)動器及伺服電機(jī)3/20/20193/20/20193/21/20193/21/20197/20/2023161.2.2硬件系統(tǒng)的連接以SINAMICSV80系統(tǒng)為例說明。SINAMICSV80伺服驅(qū)動系統(tǒng)包括伺服驅(qū)動器和伺服電機(jī)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(jī)一起配套使用。SINAMICSV80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(jìn)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(jì)型伺服控制系統(tǒng)SINAMICSV60/V803/20/20193/20/20193/21/20193/21/20197/20/2023171.2小型與經(jīng)濟(jì)型伺服控制系統(tǒng)SINAMICSV60/V80圖2伺服驅(qū)動器連線3/20/20193/20/20193/21/20193/21/20197/20/202318驅(qū)動器上有一個脈沖設(shè)置旋轉(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(jì)型伺服控制系統(tǒng)SINAMICSV60/V803/20/20193/20/20193/21/20193/21/20197/20/2023191.2小型與經(jīng)濟(jì)型伺服控制系統(tǒng)SINAMICSV60/V803/20/20193/20/20193/21/20193/21/20197/20/2023201.2小型與經(jīng)濟(jì)型伺服控制系統(tǒng)SINAMICSV60/V803/20/20193/20/20193/21/20193/21/20197/20/2023211.2小型與經(jīng)濟(jì)型伺服控制系統(tǒng)SINAMICSV60/V803/20/20193/20/20193/21/20193/21/20197/20/202322伺服電機(jī)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(jī)轉(zhuǎn)動的方向信號，經(jīng)過驅(qū)動器控制伺服電機(jī)旋轉(zhuǎn)；電機(jī)旋轉(zhuǎn)編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(jī)、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(jì)型伺服控制系統(tǒng)SINAMICSV60/V803/20/20193/20/20193/21/20193/21/20197/20/2023231.2小型與經(jīng)濟(jì)型伺服控制系統(tǒng)SINAMICSV60/V80圖4PLC與伺服驅(qū)動器的接線3/20/20193/20/20193/21/20193/21/20197/20/2023241.2.3程序編寫在伺服電機(jī)運行設(shè)計時，考慮到伺服電機(jī)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(jī)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(hù)電機(jī)。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(dāng)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(jì)型伺服控制系統(tǒng)SINAMICSV60/V803/20/20193/20/20193/21/20193/21/20197/20/2023251.2小型與經(jīng)濟(jì)型伺服控制系統(tǒng)SINAMICSV60/V80圖5三段式脈沖示意圖3/20/20193/20/20193/21/20193/21/20197/20/2023261西門子伺服概述2伺服和步進(jìn)電動機(jī)的脈沖控制本章講述的主要內(nèi)容:3/20/20193/20/20193/21/20193/21/20197/20/202327為了配合步進(jìn)和伺服電動機(jī)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(jìn)和伺服電動機(jī)進(jìn)行控制。本節(jié)將重點講解西門子S7-200PLC脈沖輸出功能和步進(jìn)電動機(jī)的控制，伺服電動機(jī)的控制與步進(jìn)電動機(jī)的基本相同。S7-300/400PLC中也可以通過FM模塊實現(xiàn)步進(jìn)和伺服控制，思路與S7-200PLC一致，本節(jié)不再介紹。2.1概述3/20/20193/20/20193/21/20193/21/20197/20/2023281.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。2.2PLC的脈沖輸出3/20/20193/20/20193/21/20193/21/20197/20/2023292.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(jìn)行編程。2.2PLC的脈沖輸出3/20/20193/20/20193/21/20193/21/20197/20/2023302.2PLC的脈沖輸出3/20/20193/20/20193/21/20193/21/20197/20/2023313.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Q0.1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)。2.2PLC的脈沖輸出3/20/20193/20/20193/21/20193/21/20197/20/2023324.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)。2.2PLC的脈沖輸出3/20/20193/20/20193/21/20193/21/20197/20/202333步進(jìn)電動機(jī)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(jìn)電動機(jī)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(jìn)電動機(jī)轉(zhuǎn)速與脈沖頻率成正比，所以輸入步進(jìn)電動機(jī)的脈沖頻率也要經(jīng)過一個類似變化過程。步進(jìn)電動機(jī)脈沖頻率變化規(guī)律如圖9-5所示。2.3步進(jìn)電動機(jī)的控制3/20/20193/20/20193/21/20193/21/20197/20/2023342.3步進(jìn)電動機(jī)的控制圖9-5步進(jìn)電動機(jī)脈沖頻率變化規(guī)律3/20/20193/20/20193/21/20193/21/20197/20/2023351.通過指令向?qū)ЫM態(tài)PTOSTEP7-Micro/WIN提供了位置控制向?qū)В梢詭椭脩舴奖愕赝瓿蒔TO、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(jìn)行動態(tài)控制。本小節(jié)通過PLC控制一個步進(jìn)電動機(jī)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(jìn)電動機(jī)的具體操作過程。2.4通過指令向?qū)ЫM態(tài)PTO/PWM3/20/20193/20/20193/21/20193/21/20197/20/2023362.4通過指令向?qū)ЫM態(tài)PTO/PWM圖9-6PTO的輸出點3/20/20193/20/20193/21/20193/21/20197/20/2023372.4通過指令向?qū)ЫM態(tài)PTO/PWM圖9-7選擇PTO3/20/20193/20/20193/21/20193/21/20197/20/2023382.4通過指令向?qū)ЫM態(tài)PTO/PWM圖9-8最高電動機(jī)速度和電動機(jī)的起動/停止速度的數(shù)值3/20/20193/20/20193/21/20193/21/20197/20/2023392.4通過指令向?qū)ЫM態(tài)PTO/PWM圖9-9輸入加速和減速時間3/20/20193/20/20193/21/20193/21/20197/20/2023402.4通過指令向?qū)ЫM態(tài)PTO/PWM圖9-10建新包絡(luò)3/20/20193/20/20193/21/20193/21/20197/20/2023412.4通過指令向?qū)ЫM態(tài)PTO/PWM圖9-11選擇包絡(luò)的操作模式3/20/20193/20/20193/21/20193/21/20197/20/2023422.4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）3/20/20193/20/20193/21/20193/21/20197/20/2023432.4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）3/20/20193/20/20193/21/20193/21/20197/20/2023442.4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）3/20/20193/20/20193/21/20193/21/20197/20/2023452.4通過指令向?qū)ЫM態(tài)PTO/PWM圖9-15配置分配存儲區(qū)3/20/20193/20/20193/21/20193/21/20197/20/2023462.4通過指令向?qū)ЫM態(tài)PTO/PWM圖9-16PTO0_CTRL和PTO0_RUN指