模拟量和位置控制
PLC
PLC综述可编程序逻辑控制器（Programmable Logic Controller）简称PLC,是一种以微处理器为基础、带有指令存储器和输入输出接口、综合了微电子技术、计算机技术、自动控制技术、通信技术的新一代工业控制装置。
它能够存储和执行指令，进行位置控制、逻辑控制、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作，并通过数字式和模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。
PLC是电子技术、计算机技术与继电器逻辑自动控制系统相结合的产物。
它不仅充分发挥了计算机的优点，以满足各种工业生产过程自动控制的需要，同时又照顾一般电气操作人员的技术水平和习惯，采用梯形图或状态流程图等编辑方式，使PLC的使用始终保持大众化的特点。
PLC可以用于单台机电设备的控制，也可以用于生产流水线的控制。
使用者可根据生产过程和工艺要求编制控制程序。
程序运行后，PLC就根据现场输入信号（按钮、行程开关、接近开关或其他传感信号）按照预先编入的程序对执行机构（如电磁阀、电动机等）的动作进行控制。
一、PLC简介及其特点：1、PLC简介:可编程控制器（Programmable Logic Controller ，简称PLC，下同）是电气自动控制的新技术，目前公开发行适用于技校的教材较少，给广大师生的学习带来诸多不便。
本文介绍PLC的编程设计方案，使电气工程技术人员特别是初学者对PLC技术加深了解和认识；同时帮助学生更好地解决学习PLC技术中最难掌握的编程难题，达到能够牢固掌握、熟练运用、提高应用设计能力和加快推广应用的目的。
程序设计是整个系统设计的关键环节，在PLC程序设计中，可采用梯形图、指令表、SFC（程序流程图）进行编程。
2、可编程控制器的主要功能这是PLC的基本功能，也是最广泛的应用，如机车的电气控制、包装机械的控制、电梯的控制等（1）用于模拟量的控制：PLC通过模拟量I/O模块，实现模数转换，并对模拟量进行控制。
如闭环系统的过程控制、位置控制和速度控制（2）用于工业机器人的控制：PLC作为一种工业控制器，适用于工业机器人。
第5章习题解答
第五章可编程序控制器及其工作原理5-1 可编程序控制器具有哪些特点？答：可编程序控制器特点：1）抗干扰能力强，可靠性高；2）控制系统结构简单、通用性强、应用灵活；3）编程方便，易于使用；4）功能完善，扩展能力强；5）PLC控制系统设计、安装、调试方便；6) 维修方便，维修工作量小；7) 体积小、重量轻，易于实现机电一体化。
5-2 整体式PLC、组合式PLC由哪几部分组成？各有何特点？答：整体式结构的PLC是将中央处理单元（CPU）、存储器、输入单元、输出单元、电源、通信端口、I∕O扩展端口等组装在一个箱体内构成主机。
另外还有独立的I/O扩展单元等通过扩展电缆与主机上的扩展端口相连，以构成PLC不同配置与主机配合使用。
整体式结构的PLC结构紧凑、体积小、成本低、安装方便。
小型机常采用这种结构。
组合式结构的PLC是将CPU、输入单元、输出单元、电源单元、智能I∕O单元、通信单元等分别做成相应的电路板或模块，各模块可以插在带有总线的底板上。
装有CPU的模块称为CPU模块，其他称为扩展模块。
组合式的特点是配置灵活，输入接点、输出接点的数量可以自由选择，各种功能模块可以依需要灵活配置。
5-3 PLC控制与继电器控制比较，有何相同之处？有何不同之处？答：PLC控制与继电器控制的比较见下表：5-4 PLC的硬件指的是哪些部件？它们的作用是什么？答：PLC的基本结构由中央处理器（CPU），存储器，输入、输出接口，电源，扩展接口，通信接口，编程工具，智能I/O接口，智能单元等组成。
1）中央处理器（CPU）中央处理器（CPU）其主要作用有①接收并存储从编程器输入的用户程序和数据。
②诊断PLC内部电路的工作故障和编程中的语法错误。
③用扫描的方式通过I∕O部件接收现场的状态或数据，并存入输入映像存储器或数据存储器中。
④PLC进入运行状态后，从存储器逐条读取用户指令，解释并按指令规定的任务进行数据传送、逻辑或算术运算等；根据运算结果，更新有关标志位的状态和输出映像存储器的内容，再经输出部件实现输出控制、制表打印或数据通信等功能。
第章三菱PLC的特殊模块
端口 (地址)
数字信号 0～4095 0～1023 ……
工程化反变换
工程量 0～100％ ……
CPU
软件实现
4．模拟量输出模块FX-2DA
FX-2DA为2通道12位D/A转换模块，每个通道可 独立设置电压或电流输出。FX-2DA是一种与F2-6A相 比具有高精确度的输出模块。
C O M X 0 X 1 X 2 X 3 X 4 X 5 X 6 C O M 2 Y 2 Y 3 C O M 1 Y 0 Y 1 C O M 1 Y 0 C O M 2 Y 1 C O M 3 Y 2 C O M 4 Y 3
第10章
三菱PLC的特殊模块
一、模拟量控制
模拟量输入/输出单元 A/D转换、D/A转换
二、位置控制
脉冲输出单元 运动控制模块
一、模拟量输入/输出单元
入输出单元模块的有关性能： F2-6A是三菱公司F1、F2系列PLC的扩展单元， 为8位4通道输入、2通道输出的模拟量输入输出单元 模块。 F2-6A模块与F1、F2系列PLC连接示意图如 下： B C D B I N
输入信号1 多路 转换 前置放大 采样保持 内、外 补偿 ADC 光电 隔离 数据 驱动 锁存 数据 总线
输入信号n
控制 总线 控制单元
A/D转换通常有二种方式：① 逐次比较型 ② 双积分型
1．模拟量输入模块FX-4AD
FX-4AD为4通道12位A/D转换模块，根据外部连 接方法及PLC指令，可选择电压输入或电流输入，是 一种与F2-6A相比具有高精确度的输入模块。
F2-30GM应用系统方框图
2．脉冲输出模块FX-1PG（FX2、FX2C用）
FX-1PG 脉冲输出模块是一种根据 FROM/TO 指令 进行与FX2、FX2C系列PLC数据交换的特殊功能模块。 用一台FX-1PG独立进行一轴定位控制，而一台PLC则 最多可连8台FX-1PG。
伺服电机的三种控制方式有哪些
伺服电机是在伺服系统中控制机械元件运转的发动机，是一种补助马达间接变速装置。
在不同场景下，伺服电机的控制方式各有不同，在进行选择之前你需要先了解伺服电机是三种控制方式各有其特点，下面小编就给大家介绍一下伺服电机的三种控制方式。
伺服电机控制方式有脉冲、模拟量和通讯控制这三种1、伺服电机脉冲控制方式在一些小型单机设备，选用脉冲控制实现电机的定位，应该是最常见的应用方式，这种控制方式简单，易于理解。
基本的控制思路：脉冲总量确定电机位移，脉冲频率确定电机速度。
都是脉冲控制，但是实现方式并不一样：第一种，驱动器接收两路(A、B路)高速脉冲，通过两路脉冲的相位差，确定电机的旋转方向。
如上图中，如果B相比A相快90度，为正转；那么B相比A相慢90度，则为反转。
运行时，这种控制的两相脉冲为交替状，因此我们也叫这样的控制方式为差分控制。
具有差分的特点，那也说明了这种控制方式，控制脉冲具有更高的抗干扰能力，在一些干扰较强的应用场景，优先选用这种方式。
但是这种方式一个电机轴需要占用两路高速脉冲端口，对高速脉冲口紧张的情况，比较尴尬。
第二种，驱动器依然接收两路高速脉冲，但是两路高速脉冲并不同时存在，一路脉冲处于输出状态时，另一路必须处于无效状态。
选用这种控制方式时，一定要确保在同一时刻只有一路脉冲的输出。
两路脉冲，一路输出为正方向运行，另一路为负方向运行。
和上面的情况一样，这种方式也是一个电机轴需要占用两路高速脉冲端口。
第三种，只需要给驱动器一路脉冲信号，电机正反向运行由一路方向IO信号确定。
这种控制方式控制更加简单，高速脉冲口资源占用也最少。
在一般的小型系统中，可以优先选用这种方式。
2、伺服电机模拟量控制方式在需要使用伺服电机实现速度控制的应用场景，我们可以选用模拟量来实现电机的速度控制，模拟量的值决定了电机的运行速度。
模拟量有两种方式可以选择，电流或电压。
电压方式，只需要在控制信号端加入一定大小的电压即可。
实现简单，在有些场景使用一个电位器即可实现控制。
伺服电机接口标准
伺服电机接口标准一、物理接口伺服电机接口标准包括物理接口，这是连接伺服电机和控制器之间的硬件接口。
通常，物理接口包括电源接口、模拟量输入接口、数字输入接口、模拟量输出接口和数字输出接口等。
二、通信协议通信协议是伺服电机接口标准中重要的组成部分，它定义了控制器和伺服电机之间的通信规则和数据格式。
常见的通信协议包括CAN总线等。
这些通信协议都具有高效、稳定、可靠的特点。
三、控制信号伺服电机接口标准还包括控制信号的定义。
控制信号是控制器发送给伺服电机的指令，用于控制电机的运动状态。
控制信号通常包括位置控制信号、速度控制信号和转矩控制信号等。
四、位置控制位置控制是伺服电机控制系统中的基本控制方式之一。
通过位置控制，控制器可以精确地控制电机的旋转位置。
伺服电机接口标准中，位置控制信号通常采用脉冲信号或者模拟量信号的形式进行传输。
五、速度控制速度控制是伺服电机控制系统中的另一种基本控制方式。
通过速度控制，控制器可以精确地控制电机的旋转速度。
伺服电机接口标准中，速度控制信号通常采用模拟量信号的形式进行传输。
六、转矩控制转矩控制是伺服电机控制系统中的另一种重要控制方式。
通过转矩控制，控制器可以精确地控制电机的输出转矩。
伺服电机接口标准中，转矩控制信号通常采用模拟量信号的形式进行传输。
七、故障诊断故障诊断是伺服电机控制系统中的重要功能之一。
通过故障诊断，控制器可以检测伺服电机的运行状态，发现故障并进行报警提示。
伺服电机接口标准中，故障诊断通常采用数字输出信号的形式进行传输。
同时，伺服电机内部也会设置故障检测电路，用于检测电机的温度、电流等参数是否正常，并将检测结果传输给控制器。
安川Σ-Ⅱ简易手册
速度控制模式中的重要参数
参数
PN000——控制方式选择：出厂值为0000，默认为速度控制模式 0000， PN000 0000 PN300——速度指令输入增益：表示以额定转速运行伺服电机所需 PN300 的速度指令（V-REF)的模拟量电压电平，单位为0.01V/ PN=1000时10V 额定速度，出厂值为600，表示设定 PN=600 时 6V 输入 外部使能 为使用的电机额定速度。 PN50A——此参数用于I/O口的分配，出厂值为2100 第三位上的0表示 外部使能。 即只有当CN1口的40和47脚之间有24V电压时， 电机才处于使能状态。此时CN1口的5和6脚之间有模拟电 压输入。 此时电机可以旋转。如果将第三位上的0改为7， 2170 则一上电电机就处于使能状态。 2100
PN000——控制方式选择：将出厂值的第三位0改为1即可 0010 0000 位置控制模式 速度控制模式
PN200——位置控制指令形态选择：出厂值为0000，通过改变第四位， 可以选择是正负脉冲还是脉冲加方向，也可以选择正负逻辑。 PN401——扭矩指令滤波器时间尝试：当使用滚珠丝等时，会发生扭转 震动。（一般情况下，震动音变高。）此时，增大扭转指令 滤波器的时间常数，可消除震动。但该滤波器也与纠纷时间 常数一样，对于伺服系统来说为迟延因素，因此在不必要时， 请不要增大。 PN100——速度环增益 PN101——位置环增益
四、调谐
1、自动调谐
在使用自动调谐功能以后，若结果不满意，可使用“定位时间缩短功能” 进行调整，还不满意则使用“减震功能”进行补偿。
定位时间缩短功能
减震功能
手动调谐步骤内容
1. 先较低地设定上级装置的位置环增益，在不发生异常声音和震动的 范围内，增大速度环增益 (Pn100)。 2. 减小速度环增益值，使其小于上述 1 的值，在不发生超程和震动的 范围内，增大上级装置的位置环增益。 3. 请在注意定位调整时间、机械系统震动情况的同时，决定速度环积 分时间常数(Pn101)。过大时 会引起定位调整时间变长。 4. 当机械系统没有发生轴扭转震动时，将扭矩指令滤波器 (Pn401) 设 小。当机械系统发出较高地震动声时，可能是发生了轴扭转震动， 请将扭矩指令滤波器时间常数的值 (Pn401) 增大，以减小震动声。 5. 最后，请进行阶梯响应等，对增益 ( 位置、速度环 )、积分时间常数 等进行微调，以找出最佳位置。
伺服电机三环控制系统调节方法
伺服电机三环控制系统调节方法
随着工业自动化程度的不断提高，伺服控制技术、电力电子技术和微电子技术的快速发展，伺服运动与控制技术也在不断走向成熟，电机运动控制平台作为一种高性能的测试方式已经被广泛应用，人们对伺服性能的要求也在不断提高。
一、三环控制原理
1、首先是电流环，此环完全在伺服驱动器内部进行，通过霍尔装置检测驱动器给电机的各相的输出电流，负反馈给电流的设定进行PID调节，从而达到输出电流尽量接近等于设定电流，电流环就是控制电机转矩的，所以在转矩模式下驱动器的运算最小，动态响应最快。
2、第二环是速度环，通过检测的伺服电机编码器的信号来进行负反馈
PID 调节，它的环内PID 输出直接就是电流环的设定，所以速度环控制时就包合了速皮环和电流环，换句话说任何棋式都必须使用电流环，电流环是控制的跟本，在速度和位置控制的同时系统实际也在进行电流（转矩）的控制以达到对速度和位置的相应控制。
3、第三环是位置环，它是最外环，可认在驱动器和伺服电机编码器间构建也可以在外部控制器和电机编码器或最终负载间构建，要根据实际情况来定。
由于位置控制环内部输出就是速度环的设定，位置控制模式下系统进行了所有 3 个环的运算，此时的系统运算量最大，动态响应速度也最慢。
伺服的三种控制方式
一般伺服都有三种控制方式:速度控制方式,转矩控制方式,位置控制方式 .1、转矩控制：转矩控制方式是通过外部模拟量的输入或直接的地址的赋值来设定电机轴对外的输出转矩的大小，具体表现为例如10V对应5Nm的话，当外部模拟量设定为5V时电机轴输出为2.5Nm:如果电机轴负载低于2.5Nm 时电机正转，外部负载等于2.5Nm时电机不转，大于2.5Nm时电机反转（通常在有重力负载情况下产生）。
可以通过即时的改变模拟量的设定来改变设定的力矩大小，也可通过通讯方式改变对应的地址的数值来实现。
应用主要在对材质的受力有严格要求的缠绕和放卷的装置中，例如饶线装置或拉光纤设备，转矩的设定要根据缠绕的半径的变化随时更改以确保材质的受力不会随着缠绕半径的变化而改变。
2、位置控制：位置控制模式一般是通过外部输入的脉冲的频率来确定转动速度的大小，通过脉冲的个数来确定转动的角度，也有些伺服可以通过通讯方式直接对速度和位移进行赋值。
由于位置模式可以对速度和位置都有很严格的控制，所以一般应用于定位装置。
3、速度模式：通过模拟量的输入或脉冲的频率都可以进行转动速度的控制，在有上位控制装置的外环PID控制时速度模式也可以进行定位，但必须把电机的位置信号或直接负载的位置信号给上位反馈以做运算用。
位置模式也支持直接负载外环检测位置信号，此时的电机轴端的编码器只检测电机转速，位置信号就由直接的最终负载端的检测装置来提供了，这样的优点在于可以减少中间传动过程中的误差，增加整个系统的定位精度。
4、谈谈3环，伺服电机一般为三个环控制，所谓三环就是3个闭环负反馈PID调节系统。
最内的PID环就是电流环，此环完全在伺服驱动器内部进行，通过霍尔装置检测驱动器给电机的各相的输出电流，负反馈给电流的设定进行P ID调节，从而达到输出电流尽量接近等于设定电流，电流环就是控制电机转矩的，所以在转矩模式下驱动器的运算最小，动态响应最快。
第2环是速度环，通过检测的电机编码器的信号来进行负反馈PID调节，它的环内PID输出直接就是电流环的设定，所以速度环控制时就包含了速度环和电流环，换句话说任何模式都必须使用电流环，电流环是控制的根本，在速度和位置控制的同时系统实际也在进行电流（转矩）的控制以达到对速度和位置的相应控制。
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F2-30GM应用系统方框图
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2．脉冲输出模块FX-1PG（FX2、FX2C用）
FX-1PG脉冲输出模块是一种根据FROM/TO指令进行 与FX2、FX2C系列PLC数据交换的特殊功能模块。用一台 FX-1PG独立进行一轴定位控制，而一台PLC则最多可连 8台FX-1PG。
第十一章
PLC用于模拟量和位置控制
一、模拟量控制
模拟量输入/输出单元 A/D转换、D/A转换
二、位置控制
脉冲输出单元 运动控制模块
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一、模拟量输入/输出单元
以三菱公司的F2-6A模块为例，来说明模拟量输
入输出单元模块的有关性能： F2-6A是三菱公司F1、F2系列PLC的扩展单元， 为8位4通道输入、2通道输出的模拟量输入输出单元 模块。 F2-6A模块与F1、F2系列PLC连接示意图如下：
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◇
运动控制模块
1．角位控制开关F2-32-RM-SET
2．A系列的运动控制模块 （1）位置控制功能模块AD71和AD72 （2）实现运动控制和顺控一体化的A73CPU 模块
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1．角位控制开关F2-32-RM-SET
F2-32RM-SET可编程轮开关集CPU、电源、输入、输 出编程器于一体，可通过简单的键操作，替代32个凸轮 开关，进行32个输出动作，实现角位置控制。
数字信号 0～4095 0～1023 ……
端口 (地址)
数字信号 0～4095 0～1023 ……
工程化转换
工程量 CPU 0～100℃ ?～??kPa ……
软件实现
硬件滤波 如：RC滤波
软件滤波 如：中值滤波 软件RC滤波 ……
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A/D组成：
一般是由多路转换开关、前置放大器、采样保持 器、ADC（Analog to Digital Converter）等组成
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A73CPU位置控制系统原理图
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作业布置： 练习册：
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位置控制功能模块AD72的工作原理框图：
PC (ACPU) 脉冲 减计 数器 数据 设置 AD72 计数脉冲 A/D 转换器 模拟电压 驱动单元 速度命令 司服 放大 M 司服电机
程序
接口
反馈脉冲 数据传送 GPP TU PLG
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2．A系列的运动控制模块
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2．A系列的运动控制模块
（1）位置控制功能模块AD71和AD72
位置控制功能模块AD71和AD72是一种高精度定位智 能化定位模块。 AD71与AD72的主要区别在于AD71没有偏差计数器与 D/A变换这两个环节。
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（2）实现运动控制和顺控一体化的A73CPU模块 A73CPU是A系列PLC中一种专门用于运动控制的CPU。 以A73CPU为核心的三菱多轴定位系统，将伺服控制功能 和顺控、逻辑控制等功能以最佳方式结合在一起，以适 应工厂自动化所必须满足的多品种、小批量生产的要求， 达到生产的高度灵活性和可靠性的统一。
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◇
D/A转换（D/A、AO）的作用
调节阀 变频器 ……
执行器控制信号 4～20mA 0～10mA 1～5VDC 0～10VDC ……
数模转换 (D/A、AO)
数字信号 0～4095 0～1023 ……
端口 (地址)
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3．脉冲输出单元FX-1GM（FX2、FX2C用）
FX-1GM是一种采用定位专用语言的简易高功能定 位装置。通用的具有7点输入、7点输出，还备有定位 控制编程语言。 FX-1GM脉冲输出单元最高输出频率为100K波特率， 可得到足够的控制精度。
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检测仪表
A/D转换（A/D、AI）的作用
变送器： 温度变送器 压力变送器 流量变送器 液位变送器 现场仪表模拟信号 成分分析仪 4～20mA 传感器： 0～10mA Pt100 1～5VDC Cu50 mV、Ω 热电偶 …… ……
模数转换 (A/D、AI)
数字信号 0～4095 0～1023 ……
工程化反变换
工程量 CPU 0～100％ ……
软件实现
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4．模拟量输出模块FX-2DA
FX-2DA为2通道12位D/A转换模块，每个通道可独立 设置电压或电流输出。FX-2DA是一种与F2-6A相比具有 高精确度的输出模块。
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◇
利用PLC模块实现位置控制的优点：
1、在实现位置控制的时候，可充分利用PLC系统的 硬件和软件资源。更便于在柔性制造系统（FMS）、计 算机集成制造系统（CIMS）或工厂自动化（FA）系统中 大量应用位置控制。 2、用户可根据自身要求灵活配置系统，既降低成本， 又能因地制宜。 3、可靠性高，维护方便。
COM X0 X1 X2 X3 X4 X5 X6 COM2 Y2 Y3 COM1 Y0 Y1 COM1 Y0 COM2 Y1 COM3 Y2 COM4 Y3
汇点式
分组式
分隔式
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2．温度传感器模拟量输入模块FX-2AD-PT
输入信号1 多路 转换 前置放大 采样保持 内、外 补偿 ADC 光电 隔离 数据 驱动 锁存 数据 总线
输入信号n
控制 总线 控制单元
A/D转换通常有二种方式：① 逐次比较型 ② 双积分型
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1．模拟量输入模块FX-4AD
FX-4AD为4通道12位A/D转换模块，根据外部连 接方法及PLC指令，可选择电压输入或电流输入，是 一种与F2-6A相比具有高精确度的输入模块。
COM X0 X1 X2 X3 X4 X5 X6 COM2 Y2 Y3 COM1 Y0 Y1 COM1 Y0 COM2 Y1 COM3 Y2 COM4 Y3
汇点式
分组式
分隔式
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二、位置控制
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位置控制是对工位的控制，可由位置控制模块实 现.PLC系统可作为整个位置控制系统中的一个控制环节， 配上伺服放大器或驱动放大器，就可以将位置控制功能 和逻辑控制、顺序控制等一揽子解决。
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A/D转换、D/A转换
模数转换（A/D）模块：将现场仪表输出的 （标准）模拟量信号0-10mA、4-20mA、1-5VDC等转 化为计算机可以处理的数字信号 数模转换（D/A）模块：将计算机内部的数 字信号转化为现场仪表可以接收的标准信号4-20mA 等。 如：12位数字量（0-4095）→ 4-20mA 2047 对应的转换结果： 12mA
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4．2轴定位单元FX-20GM
FX-20GM是一个能独立进行2轴定位控制的装置。
它不仅备有定位控制语言、编程控制语言，还有可进
行数据处理的功能指令，因此可独立进行更高级的定 位控制。
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FX-2AD-PT是2通道温度传感器输入12位A/D转换 模块，这是一种内附温度传感器前置放大器的模拟电 压量输入模块，它可以直接与三线的铂电阻PT-100直 接连接。
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3．热电偶温度传感器模拟量输入模块 FX-4AD-TC
FX-4AD-TC是4通道热电偶温度传感器模拟量输入 模块。
Date: 2013-7-18
Pag位控制的脉冲输出单元F2-30GM 2．脉冲输出模块FX-1PG（FX2、FX2C用） 3．脉冲输出单元FX-1GM（FX2、FX2C用） 4．2轴定位单元FX-20GM
Date: 2013-7-18
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1．点位控制的脉冲输出单元F2-30GM