ch06交流伺服電動機傳動模塊角度運動控制編程

職業(yè)教育自動化類專業(yè)新形態(tài)教材交流伺服電動機傳動模塊角度運動控制編程第六章智能裝備機電集成技術(shù)01交流伺服電動機傳動模塊角度運動控制交流伺服電動機傳動模塊角度運動控制伺服系統(tǒng)1交流伺服電動機傳動模塊角度運動控制伺服系統(tǒng)伺服系統(tǒng)是指以機械運動量作為控制對象的自動控制系統(tǒng)，是運動控制的驅(qū)動對象。伺服電動機(ServoMotor是指在服系統(tǒng)中控制機械元件運轉(zhuǎn)的電動機。如圖6-1所為服電動機位置控制方式的基本形式，包括開環(huán)、半閉環(huán)和閉環(huán)。開環(huán)系統(tǒng)無檢測裝置，常用步進電動機驅(qū)動實現(xiàn)，每輸入一個指令脈沖，步進電動機就旋轉(zhuǎn)一定的角度，它的旋轉(zhuǎn)速度由指令脈沖頻率控制，轉(zhuǎn)角大小由脈沖個數(shù)決定。由于開環(huán)系統(tǒng)沒有檢測裝置，誤差無法測量和補償，因此開環(huán)系統(tǒng)精度不高。閉環(huán)系統(tǒng)和半閉環(huán)系統(tǒng)有檢測裝置，閉環(huán)系統(tǒng)的檢測裝置安裝在移動部件上，可以直接檢測移動部件的位移，且系統(tǒng)采用了反饋和誤差補償技術(shù)因此可以很精確地控制移動部件的移動距離。半閉環(huán)系統(tǒng)的檢測裝置安裝在伺服電動機上，在伺服電動機的尾部裝有編碼器或測速發(fā)電機，用于檢測移動部件的位移和速度。由于傳動件不可避免地存在受力變形和傳動間隙等問題，因此半閉環(huán)系統(tǒng)的控制精度不如閉環(huán)系統(tǒng)。工業(yè)上，如果不加特定說明，伺服系統(tǒng)一般指半閉環(huán)系統(tǒng)或閉環(huán)系統(tǒng)。1交流伺服電動機傳動模塊角度運動控制伺服系統(tǒng)狹義的伺服系統(tǒng)由伺服電動機和伺服驅(qū)動器構(gòu)成。伺服電動機又稱執(zhí)行電動機，在自動控制系統(tǒng)中為執(zhí)行元件，用于把接收的電信號轉(zhuǎn)換為電動機軸上的角位移或角速度輸出。伺服電動機主要靠脈沖來定位，基本上可以這樣理解，伺服電動機每接收一個脈沖，就會旋轉(zhuǎn)一個脈沖對應(yīng)的角度，從而實現(xiàn)位移。因為伺服電動機本身具有脈沖發(fā)生的功能，所以伺服電動機每旋轉(zhuǎn)一個角度，都會發(fā)出對應(yīng)數(shù)量的脈沖，這與伺服電動機接收的脈沖形成閉環(huán)。如此一來，系統(tǒng)就會知道發(fā)送了多少個脈沖給伺服電動機，同時又接收了多少個脈沖這樣，就能精確地控制電動機的轉(zhuǎn)動，從而實現(xiàn)精準(zhǔn)定位，精度可達0.001mm。1交流伺服電動機傳動模塊角度運動控制伺服系統(tǒng)伺服電動機內(nèi)部的轉(zhuǎn)子是永磁鐵，驅(qū)動器通過控制U、V、W三相繞組形成電磁場，轉(zhuǎn)子在此磁場的作用下轉(zhuǎn)動，同時電動機自帶的編碼器將反饋信號輸出給驅(qū)動器，驅(qū)動器根據(jù)反饋信號與目標(biāo)信號的誤差調(diào)整轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動的角度。伺服電動機的精度取決于編碼器的精度線數(shù))，如圖6-2所示為服電動機實物。伺服驅(qū)動器是一種用于驅(qū)動伺服電動機的控制器，其作用類似于變頻器對普通交流電動機，是發(fā)布運動指令的計算機和執(zhí)行元件間的接口。伺服驅(qū)動器一般可以采用位置、速度和力矩三種控制方式，主要應(yīng)用于高精度的定位系統(tǒng)。步進電動機驅(qū)動器通常只能用于位置控制，變頻器只能用于速度控制。如圖6-3所示為服驅(qū)動器與服電動機實物。1交流伺服電動機傳動模塊角度運動控制伺服系統(tǒng)1交流伺服電動機傳動模塊角度運動控制交流伺服電動機2交流伺服電動機傳動模塊角度運動控制旋轉(zhuǎn)編碼器3旋轉(zhuǎn)編碼器是一種角位移傳感器，它分為光電式、接觸式和電磁感應(yīng)式三種，其中光電式旋轉(zhuǎn)編碼器是數(shù)控系統(tǒng)中常用的位置傳感器，一般安裝在交流伺服電動機后面以進行旋轉(zhuǎn)位置和旋轉(zhuǎn)速度的檢測。由于光電式旋轉(zhuǎn)編碼器輸出的檢測信號是數(shù)字信號，可以直接輸入計算機進行處理，不需要放大和轉(zhuǎn)換等操作，使用非常方便，因此應(yīng)用越來越廣泛。如數(shù)控工作臺的旋轉(zhuǎn)編碼器在交流伺服電動機出廠時就直接安裝在電動機后面，與電動機成為一體，旋轉(zhuǎn)編碼器的輸出信號直接在服驅(qū)動器內(nèi)經(jīng)過差分計算后轉(zhuǎn)換為電動機的驅(qū)動信號。交流伺服電動機傳動模塊角度運動控制旋轉(zhuǎn)編碼器3旋轉(zhuǎn)編碼器有增量旋轉(zhuǎn)編碼器和絕對值旋轉(zhuǎn)編碼器兩種。如圖6-8所示為光電式增量旋轉(zhuǎn)編碼器示意圖，它由光敏器件(發(fā)光二極管、光敏三極管)、指示標(biāo)度盤和編碼圓盤(簡稱碼盤)等組成。當(dāng)編碼圓盤隨軸一起轉(zhuǎn)動時，發(fā)光二極管發(fā)出的光透過編碼圓盤和指示標(biāo)度盤形成忽明忽暗的光信號，光敏三極管把光信號轉(zhuǎn)換為電信號，然后通過信號處理電路進行整形、放大、分頻、記數(shù)、譯碼后輸出。為了測量轉(zhuǎn)向，指示標(biāo)度盤A、B兩個透光狹縫的距離比編碼圓盤兩個狹縫的距離大(m1)/4，這樣兩光敏三極管的輸出信號就相差1/4個周期的相位;然后再將圖6-9所示的光電式增量旋轉(zhuǎn)編碼器輸出信號送入鑒向電路，即可判斷編碼圓盤的旋轉(zhuǎn)方向。由于增量旋轉(zhuǎn)編碼器缺少一個參考點來標(biāo)定具體的角度，因此使用指示標(biāo)度盤的C透光狹縫來確定編碼圓盤的原點。交流伺服電動機傳動模塊角度運動控制旋轉(zhuǎn)編碼器3交流伺服電動機傳動模塊角度運動控制交流伺服電動機驅(qū)動器的電氣連接4交流伺服電動機傳動模塊角度運動控制旋轉(zhuǎn)軸運動控制任務(wù)實施概況電氣原理及相關(guān)配置5交流伺服電動機傳動模塊角度運動控制旋轉(zhuǎn)軸運動控制任務(wù)實施概況電氣原理及相關(guān)配置5交流伺服電動機傳動模塊角度運動控制旋轉(zhuǎn)軸運動控制任務(wù)實施概況電氣原理及相關(guān)配置5交流伺服電動機傳動模塊角度運動控制旋轉(zhuǎn)軸運動控制觸摸屏與PLC編程6交流伺服電動機傳動模塊角度運動控制旋轉(zhuǎn)軸運動控制觸摸屏與PLC編程6(2)添加全局數(shù)據(jù)塊，定義全局變量。單PLC項目“程序塊”選項中的“添加新塊”子選項，添加新的全局數(shù)據(jù)塊，命名為GVL。然后在全局數(shù)據(jù)塊程序輸入?yún)^(qū)添加如圖6-23所示的全局數(shù)據(jù)塊變量，建立圖6-22中全局變量與控件的關(guān)聯(lián)，并設(shè)置對應(yīng)控件的屬性。02角度運動控制的示教再現(xiàn)角度運動控制的示教再現(xiàn)伺服驅(qū)動器的面板操作1角度運動控制的示教再現(xiàn)伺服驅(qū)動器的面板操作1角度運動控制的示教再現(xiàn)角度控制平臺伺服驅(qū)動器的關(guān)鍵參數(shù)設(shè)置2角度運動控制的示教再現(xiàn)角度控制平臺伺服驅(qū)動器的關(guān)鍵參數(shù)設(shè)置22.指令脈沖方式的設(shè)置伺服驅(qū)動器需要接收上位機(PLC、單片機等)發(fā)來的指令脈沖，共有3種指脈沖方式，即脈沖方向方式(脈沖序列+符號)雙脈沖方式(方?jīng)_列+方向脈沖序列和90°位相差雙脈沖方式。當(dāng)接收的脈沖方式為90位相差雙脈沖時，系統(tǒng)會將A相信號和B相信號的上升/下降沿作為1個脈沖并進行計數(shù)。服驅(qū)動器PA103參數(shù)設(shè)置如表6-4所示。在角度控制平臺的實訓(xùn)中，采用脈沖方向方式，由于PA103參數(shù)的初始值為1，即雙脈沖方式，因此需要通過觸摸屏將其設(shè)置為0，即脈沖方向方式。角度運動控制的示教再現(xiàn)角度控制平臺伺服驅(qū)動器的關(guān)鍵參數(shù)設(shè)置2角度運動控制的示教再現(xiàn)角度控制平臺伺服驅(qū)動器的參數(shù)簡單自整定3以圖6-29所示服電動機驅(qū)動絲桿軸運行平臺為例，參數(shù)簡單自整定就是在電動機運行時，通過對電動機在各種控制方式下進行檢測和數(shù)據(jù)測量分析，然后計算出加減速、恒速運行時需要輸出的轉(zhuǎn)矩、外部負載的慣量、系統(tǒng)時間響應(yīng)特性等參數(shù)，接著自動調(diào)諧和設(shè)置各個控制參數(shù)，并在沒有將伺服驅(qū)動器與上位控制裝置連接的狀態(tài)下，僅靠伺服驅(qū)動器與伺服電動機運行，自動調(diào)諧放大器內(nèi)部參數(shù)。通過參數(shù)簡單自整定功能，即使在上位控制裝置中程序未完成的狀態(tài)下，也可事先使伺服電動機發(fā)生動作并進行調(diào)諧，從而縮短調(diào)試時間。角度運動控制的示教再現(xiàn)角度控制平臺伺服驅(qū)動器的參數(shù)簡單自整定3角度運動控制的示教再現(xiàn)1200PLC的符合數(shù)據(jù)類型4角度運動控制的示教再現(xiàn)示教再現(xiàn)操作5示教再現(xiàn)操作可重復(fù)再現(xiàn)通過示教編程存儲的作業(yè)程序，是一種具有記憶再現(xiàn)功能的操作。操作者預(yù)先進行示教，通過示教記錄來記憶有關(guān)作業(yè)程序、位置及其他信息，然后通過再現(xiàn)指令，將示教記錄中的每條信息逐條取出并再現(xiàn)，在一定精度范圍重復(fù)被示教的作業(yè)程序、位置及相關(guān)信息，完成工作任務(wù)。這種示教再現(xiàn)操作在機器人系統(tǒng)中得到廣泛應(yīng)用，機器人的示教再現(xiàn)一般通過兩種方式實現(xiàn)。一種是示教器示教再現(xiàn)，操作員通過示教器引導(dǎo)機器人手動執(zhí)行任務(wù)，并將每個軌跡運動過程記錄下來，如運動點、運動方式、速度等參數(shù)，然后示教器將記錄下來的任務(wù)進行再現(xiàn)，完成作業(yè)任務(wù);另一種是拖動示教再現(xiàn)，通過人工拖動使機器人末端按照需要的軌跡進行運動，然后機器人記錄下運動點等參數(shù)，復(fù)原示教運動的過程。拖動示教再現(xiàn)操作靈活更加直觀，操作者可以使機器人迅速地記錄工作點位，大大提高了示教效率。示教再現(xiàn)過程可分為三個步驟，即示教、存儲和再現(xiàn)?！笆窘獭本褪菣C器設(shè)備學(xué)習(xí)的過程，在這個過程中，操作者要“手把手”教會機器設(shè)備做某些動作。“存儲”就是機器設(shè)備的控制系統(tǒng)以程序或數(shù)據(jù)的形式將示教的動作記憶下來。機器設(shè)備按照示教時記憶下來的程序或數(shù)據(jù)重現(xiàn)這些動作，就是“再現(xiàn)”過程。根據(jù)上述三個步驟，以圖6-41所示的雙軸機械手為例，介紹示教再現(xiàn)的具體實現(xiàn)過程。角度運動控制的示教再現(xiàn)示教再現(xiàn)操作5角度運動控制的示教再現(xiàn)旋轉(zhuǎn)軸運動控制示教再現(xiàn)任務(wù)實施概況及相關(guān)配置6角度運動控制的示教再現(xiàn)旋轉(zhuǎn)軸運動控制示教再現(xiàn)觸摸屏與PLC編程7角度運動控制的示教再現(xiàn)旋轉(zhuǎn)軸運動控制示教再現(xiàn)觸摸屏與PLC編程7(5)定義“服軸相關(guān)”結(jié)體。在服軸的旋轉(zhuǎn)示和再現(xiàn)運動中，需要賦予軸運動相關(guān)的數(shù)據(jù)或獲得軸運行的一些狀態(tài)。因此，建立一個“服軸