基于PLC的交流伺服系统设计

机电伺服系统设计
基于PLC 的交流伺服系统设计
1.设计要求
以教材P133页机械传动系统为例，试根据给定参数（必须改变Z2：Z1）选择松下或者安川交流伺服系统并进行校核。

确定伺服系统的电子齿轮参数，并在此基础上以plc 作为控制器，采用位置模式（或者速度模式）对伺服系统进行控制，试设计实验系统并调试运行，完成设计报告。

给出电路图，plc 程序以及电机参数设计。

伺服系统的结构如教材P133图6-18所示，参数如下： 齿数比：4/5/12=Z Z ；
指令脉冲当量：脉冲/01.0mm l g =∆；
编码器每转反馈脉冲数：r p f /12000脉冲= ； 丝杠螺距：mm d B 10=；
快进速度：min /12000mm v F =； 丝杠飞轮惯量：22
2
10
94.2m N GD B ⋅⨯=-；
齿轮2飞轮惯量：22
221064.17m N GD ⋅⨯=-；
齿轮1飞轮惯量：22
2
11045.2m N GD ⋅⨯=-；
每次进给长度：l =150mm ； 每次进给时间：s t 10≤； 每次进给次数：N =20；
工作台轴向运动力：m N Fc ∙=1960； 驱动效率：9.0=η； 摩擦系数：1.0=μ。

2.设计过程
1) 电动机每转位移量mm Z Z d S B
85
4
1021=⨯==∆； 2) 脉冲当量（位置分辨率）l ∆，反馈脉冲当量l ∆=pulse mm P s l f /00067.012000
8
==∆=
∆，脉冲当量为0.01mm/pulse,两者不符，故使用电子齿轮。

pulse mm pulse mm B
A B A l
l g /01.0/120008=⨯=∆=∆， 所以
158
1200001.0=⨯=B A ，100,1500==B A ； 3) 电动机转速
因快进速度min /12000mm v F =，mm d B 10=，4/5/21=Z Z ，所以电动机应有的最高转速为min /15004
5
1012000r n =⨯=
； 4) 指令脉冲频率
s l v f g F g 脉冲3102060
1
01.012000601⨯=⨯=⨯∆=
每次进给位置信息存储地址数1500001
.0150
==∆=g l m ； 5) 负载转矩
()m N S W F S F M c L ⋅=⨯⨯⨯⨯⨯+=
∆⨯+=⨯∆⋅=
05.38109.028.92001.020********
33ππημπ 6) 负载飞轮惯量2
GD ，工作台换算到电动机轴上
22
32320127.01028196041024m N S W GD T ⋅=⎪
⎭
⎫ ⎝⎛⨯⨯⨯=⎪⎭⎫ ⎝⎛⨯∆=ππ 换算到电动机轴上的负载总飞轮惯量
()
()2
2
2
22222122168912.025
16
0294.01764.00245.00127.054m N GD GD GD GD GD GD B T L ⋅=⨯+++=⎪
⎭⎫ ⎝⎛⨯++++= 7) 选定伺服电动机
电动机的额定转矩N M 应大于或等于m N M L ⋅=1.62，
⊂⋅-=⎪⎭
⎫ ⎝⎛-=222
)02852.00095.0(311m N G GD L m
额定转速m in /1500r ，
选择预选松下伺服伺服电动机MSMA202A1G ，小惯量20W 带键槽200V 的无制动器的伺服电机。

选用的是r p /2500五线制增量式编码器（分辨率为10000）额定功率200V ，额定转速
m in /3000r 。

驱动器选择与之配套的松下MINAS-A4系列MSDA203A1A ，所选电机及驱动器满足
要求。

3．系统设计
本系统采用omronPLC 控制，并使用位置模式原理连接线路
1)位置模式原理接线图
实验过程中我们用了puls1和sign1两个脉冲输出口，使之对伺服电机进行控制。

先检验一下交流伺服电机在空载状态下进行试运行 Ⅰ. 熟悉交流伺服电机的交互界面； Ⅱ. 没有电机负载情况下的试运转（JOG ）；
操作步骤如下： ① 接通电源
电机面板显示电机转速
图1 位置控制用接线图
电机面板显示 r 0 d p _ 5 p d
P A _ r 0 0
E E _ 5 E
②切入参数设定
按SET键
按MODE键4次
按向下键2次
③设置JOG方式
按SET键
按向上键（按下3秒）
此时横杠向左增加
按向左键（按住直到显示5rU_on ）
④电机旋转
反时针旋转顺时针旋转
注意：JOG方式速率由Pr57确定
_ n 0 1 A F _ A C L A F _ E n C A F _ J O G J O G －
J O G －－
．
．
．
J O G －－
－――－－－R ＥＡ D Y 5 R U _ O N
电机面板显示
Ⅲ. 在JOG 方式下，对交流伺服电机转速的调整方法；
操作步骤如下：
① 接通电源
电机面板显示电机转速
② 切入参数设定
按SET 键
按MODE 键
按 向下键直至PA_ 57变量
按SET 键（显示设定速率）
r 0
d p _ 5 p d
P
A _ r 0 0
P A _ 7 E
P A _ 5 7
5 0 0
Ｐ Ａ _ ５ 7
７0
用或键可设定所需要的速率
注意：JOG方式下速率的设定范围为了0～500 r/min
按SET键（显示设定速率）
Ⅳ. 调整后的速率存入存储器的方法
经空转检验，电机运转正常，下面进行位置控制。

（4）位置模式和速度模式下参数调整
a. 连接CNI／F。

）。

b. 把控制信号（COM ＋／－）接通电源（12到24V
DC
c. 接通驱动器主电源。

d. 核查参数的设定值。

e. 接通SRV－ON（CNI／F29脚）和 COM－（CNI／F41脚）。

使伺服ON有效。

电机
将保持激磁状态。

（5）根据题意实现每次进给时间s
≤;
t1
每分钟进给20
=
N;
S
程序如下：
二、复合控制为什么能够提高位置伺服控制系统的性能指标？论述之。

答：由于重复控制有一些缺点，故将模糊自整定PID 控制和重复控制相结合，既可利用模糊自整定PID 控制改善系统的动态性能，又可以利用重复控制改善系统的稳态性能。

基于重复控制和模糊自整定PID 控制的复合控制如下图。

模糊自整定PID 控制器和重复控制器并联在控制系统的前向通道中，共同对系统的输出产生影响。

根据控制理论，复合控制系统的稳定性取决于各个子系统的稳定性。

复合控制对于交流伺服系统而言，一方面能够提高快速跟踪性能，即使得系统对输入信号的响应快，跟踪误差小，过渡时间短，且无超调或超调小，振荡次数少。

另一方面，提高稳态精度，即系统稳态误差小，定位精度高。

因此，常规控制方法很难满足交流伺服系统的高性能要求，普遍是以PID 控制为基础，再加上各种辅助控制以改善其性能。

三、矢量控制原理及其在PMSW 电机控制中的应用。

交流异步电机的数学模型是一个高阶、非线性、强藕合的多变量系统，为了便于对电机进行分析研究，有必要对实际电机进行如下假设，抽象出理想化的电机模型:
(1)忽略空气谐波，设三相绕组对称，在空间互差120度角度，所产生的磁动势沿气隙周围按正弦规律分布;
(2)忽略磁路饱和，各绕组的自感和互感都是恒定的;
(3)忽略铁心损耗:
(4)不考虑频率变化和温度变化对绕组电阻的影响。

矢量变换控制的最终日的实现了定子电流分解，即分别进行了转子磁链和电磁转矩的解耦，成功的仿照了直流电机的控制方式来控制交流电机。

下图表示了矢量控制的基本结构。

永磁同步电机伺服系统主要由伺服控制单元、功率驱动单元、通讯接口单元、伺服电动机及相应反馈检测器件组成。

其中伺服控制单元包括位置控制器、速度控制器、转矩和电流控制器等。

全数字化的永磁同步电机伺服控制系统集先进控制技术和控制策略为一体，使其非常适用于高精度、高性能要求的伺服驱动领域，同时智能化、柔性化也已经成为了现代电伺服驱动系统的一个发展趋势。

例如矢量控制在PMSM 电机调速控制中的应用：永磁同步电动机采用自控式变频调速方法，在电动机轴上安装转子磁极位置检测器，能检测出转子的磁极位置。

控制定子侧变频器的电流频率和
相位，使定子电流和转子磁链总是保持确定的关系，从而产生恒定的转矩。