基于plc的运动控制实验装置研究 94页

西南交通大学本科毕业设计(论文)第Ⅱ页西南交通大学本科毕业设计（论文）基于PLC的运动控制实验装置研究TheResearchofMotionControlExperimentalDevicebasedonPLC分内容及时间分配：（共15周）第一部分调研准备和资料搜集（2周）第二部分方案设计和补充元器件采购（2周）第三部分程序设计和调试（5周）第四部分系统集成和联调（4周）第五部分撰写毕业论文（1周）评阅及答辩（1周）备注指导教师：年月日审批人：年月日\n西南交通大学本科毕业设计(论文)第III页摘要可编程序控制器(PLC）是综合了计算机技术，自动控制技术和通讯技术的新型的、通用的自动控制装置。它具有功能强、可靠性高、易于编程及适应工业环境下应用等一系列优点。近十年来，它在工业自动化，机电一体化，传统产业技术等方面的应用越来越广，成为现代工业控制的三大支柱之一。本运动控制实验装置是在实验室现有设备的基础上，以松下FP∑系列FPG-C32T型号的PLC为基本控制核心，改装而成的。可以实现水平面内的点动、点位连续控制，以及两个平面图形的演示功能。操作界面选取MCGS组态软件设计，简单易懂，美观大方。论文共分为六章。第一章绪论部分主要介绍了PLC作为运动控制的国内外研究现状。第二章简单介绍了PLC和运动控制技术的基础知识。第三章对该运动控制实验装置进行了总体设计，包括功能分析、机械结构设计、控制方案选择、硬件及软件的总体规划等。第四章主要包括各硬件的选型及控制电路接线的设计。第五章为软件部分，详细讲述了控制系统各部分的梯形图编程设计。第六章为操作界面设计，重点阐述了该控制系统操作界面的建立过程。论文的最后部分，则是对于本次毕业设计的整个过程进行了一个全面的回顾和总结。关键词：运动控制PLCMCGS实验装置\n西南交通大学本科毕业设计(论文)第III页AbstractProgrammableController(PLC)isanewautomaticcontrollerincorporatingcomputerscienceandautomaticcontroltechnique.Itpossessestheadvantagesofit’spowerfulfunctions,highreliability,easytoprogrameandadaptivingtoapplicateintheindustrialenvironments,andsoon.Inrecentyears,ithasobtainedmoreandmoreapplicationinindustrialautomation,mechatronicsandtraditionindustrytechniques,etc,andhasbecomeoneoftheworld'sthreepillarsofmodernindustrycontrolarea.TheexperimentaldeviceofmotioncontroltakesFPG-C32TmodelwhichbelongstoFPΣseriesinPanasonicasthebasiccontrolcorebyusingtheexistingequipmentsinlaboratory.Itcanrealizespotmovecontrol、pointcontinuouscontrolanddemofunctionsoftwoflatgraphics.ByusingMCGSsoftwaretodesigntheoperationinterfacemakeiteasytounderstandandbeautifultoappear.Thethesisisdividedintosixchapters.Inchapter1,theresearchonthestatusquoathomeandabroadoftakingPLCasmotioncontrolisgivenout.Inchapter2,abriefintroductiontothePLCandthetechnologyofmotioncontrolisgivenout.Inchapter3,theoveralldesignofexperimentaldeviceofmotioncontrolincludingfunctionanalysis,mechanicalstructuredesign,thechoosingofcontrolproject,andtheoverallplanningofhardwareandsoftwareisgivenout.Inchapter4,itmainlyincludesthechoosingofhardwareandthedesignofcontrolcircuitwiring.Inchapter5,theladderprogrammingdesignprocessofeachpartsofthecontrolsystemisdiscussedindetail.Inthechapter6,thedesignprocessofoperationinterfaceofthecontrolsystemiselaborated.Thelastpartofthesisisthesummaryandconclusionofthewholedesignprocess.Keywords：MotionControlPLCMCGSExperimentalDevice\n西南交通大学本科毕业设计(论文)第V页目录第1章绪论11.1课题背景11.1.1问题的提出11.1.2国内外研究现状11.2本文研究的主要内容、目标与方法4第2章可编程控制器及运动控制技术52.1PLC控制系统52.2运动控制技术102.2.1运动控制技术综述102.2.2数控机床简介12第3章运动控制实验装置总体设计153.1功能总体分析设计153.2机械部分总体设计153.3控制部分方案选择163.3.1实验室MPC02运动控制卡数控系统简介163.3.2运动控制器件的种类183.3.3控制方式的比较选择203.4硬件总体设计323.5软件总体设计33第4章运动控制实验装置硬件设计344.1PLC选型344.1.1PLC的选型方法344.1.2PLC型号的选择354.2电机及驱动器选择364.3驱动器选择404.4编码器选择404.4.1光电编码器简介40\n西南交通大学本科毕业设计(论文)第V页4.4.2增量式光电编码器414.4.3编码器的选择464.5控制电路接线图46第5章运动控制实验装置软件设计475.1PLC的编程语言475.2PLC应用设计步骤475.3运动控制系统的PLC程序设计495.3.1主程序部分495.3.2点动控制部分535.3.3点位控制部分555.3.4平面演示部分58第6章运动控制系统操作界面设计646.1MCGS组态软件介绍646.2用户操作界面设计676.2.1系统界面设计流程676.2.2系统操作界面最终效果71结论72致谢73参考文献74附录75附录1控制电路接线图75附录2控制梯形图76附录3毕业实习报告85\n西南交通大学本科毕业设计(论文)第88页第1章绪论1.1课题背景1.1.1问题的提出机电一体化技术的发展直接影响到一个国家的机械工业装备水平，运动控制技术是机电一体化五大关键技术的核心部分。为了让同学们快速的接触、了解运动控制技术，提高同学们的动手能力，巩固所学知识，我校根据教学大纲，专门购买了X-Y轴二维数控运动实验装置，该装置通过MPC02运动控制卡控制。该实验装置给同学们提供了动手操作的平台，给同学的知识巩固带来了很大帮助，发挥了其应有的价值。然而，做为机械电子工程专业的学生，我们需要不断的学习新的知识，不断的完善自己。可编程控制器（PLC）作为技术成熟的控制器，以其高可靠性、控制能力强、体积小、程序可以在线修改、易于与计算机接口、能对开关量、模拟量进行综合控制等优异的性能，在工业控制领域中得到了广泛应用，成为现代工业控制的支柱产品。随着运动控制技术在工业生产过程中越来越广泛的应用，运动控制器成为了各大工业控制器厂商一个新的经济增长点。可编程序控制器在运动控制技术方面也在不断的发展和完善，使得可编程序控制其也越来越广泛的应用到位置控制和运动控制领域。学习PLC知识，特别是在运动控制等新领域方面的知识已迫在眉睫。基于此，本论文旨在将现有的X-Y轴二维数控运动实验装置改装成基于PLC控制的点位和平面运动控制实验装置，给同学们提供一个学习PLC基础，动手设计编程，掌握PLC运动控制核心的实验平台，该成果对于完善机电测控实验中心创新实验具备一定价值。1.1.2国内外研究现状在国外，运动控制(MotionControl)己成为一个专门的产业，近年来，随着运动控制技术的不断进步和完善，运动控制器作为一个独立的工业自动化控制类产品，己经被越来越多的产业领域接受，一大批厂家正在不断开发这方面的新技术，研制这方面的新产品，它己经达到一个引人瞩目的市场规模。从上位机控制器来说，基于计算机标准总线的运动控制器、Soft型开放式运动控制器和嵌入式结构的运动控制器发展较迅速。而谈到PLC作为运动控制器，就不得不提到日本的欧姆龙公司和德国西门子公司。欧姆龙公司推出的专门用于运动控制的CS1系列PLC\n西南交通大学本科毕业设计(论文)第88页，它不仅可以实现直线插补、圆弧插补，还能实现用G语言编写运动控制程序、识别G代码、输出模拟量等功能，与伺服装置之间构成闭环控制。图1.1为CS1系列运动控制单元实物图。图1.1CS1系列运动控制单元西门子公司推出的SIMOTIOND是基于SINAMICSS120驱动平台的驱动系统，从而使其成为一个极其紧凑同时具有强大控制功能驱动控制系统。它将逻辑控制、运动控制（定位、同步等）以及工艺控制（压力、温度控制等）集中在同一个系统中。可以实现从简单的速度轴控制到复杂的多轴电子凸轮插补，从几个轴的同步运行到上百根轴的高精度的角同步控制。SIMOTIOND具有若干种规格，具有不同的性能，其中SIMOTIOND435适用于中等规模的应用。它带有两个具有时钟同步的PROFIBUS接口以及两个以太网口。同样，SIMOTIOND435也通过DRIVE-CLiQ接口与SINAMICSS120的其它模块进行数据交换。通过外扩CU320，一个SIMOTIOND435最多能控制64个轴。图1.2为SIMOTIOND控制系统简图。\n西南交通大学本科毕业设计(论文)第88页图1.2SIMOTIOND控制系统简图从执行机构来说，日本松下(Panasonic)公司的MINASA系列全数字式交流伺服系统，以其性能卓著，体积小巧而著称;德国伦茨(Lenz)的9300系列交流伺服系统，其特点在于其伺服系统针对不同行业，配有面向具体应用的软件包，可柔性实现自动化方案;美国科尔摩根(Kollmorgen)的PLATINUMDDL系列直线电机，其特点在于直接提供推力给负载，能提供很高的动态响应速度和加速度;日本安川系列电机可以采用位置、速度、扭矩三种控制方式不同的控制方式其接线也不相同，通过对编码器输入指令来控制伺服电机。安川E-I1系列交流伺服电动机驱动器可以选择模拟量输入和脉冲输入方式，也可以选择数值指令输入方式。目前采用硬、软件结合的数字伺服系统较为普遍。其中数值输入方式的位置控制是由软、硬件结合实现的。其中偏差和进给速度指令的计算由软件实现，硬件接受进给指令的数据，进行D/A转换，提供指令电压给速度控制单元最后驱动电动机运转。我国在运动控制器产品开发方面相对落后，1999年固高科技有限公司在深圳成立，是国内第一家专业开发、生产开放式运动控制器产品的公司。国内的运动控制器生产厂商提供的产品大致可以分为三类:第一类是以单片机或微处理器作为核心的运动控制器，这类运动控制器速度较慢，精度不高，成本相对较低。第二类是以专用芯片(ASIC)作为核心处理器的运动控制器，这类运动控制器结构比较简单，但这类运动控制器大多数只能输出脉冲信号，工作于开环控制方式。第三类是基于PC总线的以DSP和FPGA作为核心处理器的开放式运动控制器这类运动控制器通常都能提供多轴协调运动控制与复杂的运动轨迹规划、实时的插补运算、误差补偿、伺服滤波算法，能够实现闭环控制。目前应用比较广泛。然而，利用PLC作为控制器方面，台达电子集团生产的台达SC系列--可編程序控制器利用PLC实现XY轴二维平面双轴插补功能，\n西南交通大学本科毕业设计(论文)第88页是目前国内最先进的专业定位控制机种，能出色的完成平面内斜线、圆弧、曲线运动控制。无锡信捷全新XCM系列运动控制型PLC是运动控制专用PLC，它支持10轴脉冲输出。可以看出，国内外的运动控制技术正在不断的发展，而利用PLC作为运动控制的模式也在逐渐形成与发展，预计不久的将来，PLC将成为高精度、高标准、高性能等各种复杂控制的主潮流。1.2本文研究的主要内容、目标与方法1、本文研究的主要内容包括：（1）完成实验装置控制方案的设计；（2）实现点动运动的控制；（3）实现点位连续运动的控制；（4）实现平面图形运动演示的控制；（5）完成外围硬件的连接；（6）完成PLC控制程序的编制。2、论文研究要达到的目标：通过PC中的组态软件窗口打开系统，用户自己选择要实现的点动、点位或平面控制，点击后看到相关正确的运动，直观的感受到PLC运动控制的高精度、高可靠性等优异性能。3、本文研究采用的方法是：（1）通过专用串行口传输数据至PLC；（2）利用驱动器接受编码器反馈的信号，进行相应的位置和速度补偿，完成半闭环控制；（3）通过组态软件实现人机界面。\n西南交通大学本科毕业设计(论文)第88页第2章可编程控制器及运动控制技术可编程控制器（ProgrammableController,后又称PLC）是以微处理器为基础，综合了计算机技术、半导体集成技术、自动控制技术、数字技术和通讯网络技术发展起来的一种通用工业自动控制装置。本文首先对PLC的定义、特点、功能及工作原理等进行了简单的介绍。接着对运动控制技术进行了系统的阐述，并着重介绍了数控机床。可以说通过本章，使读者对运动控制系统有了一个初步的了解。2.1PLC控制系统1PLC的定义可编程控制器，简称PLC（ProgrammablelogicController）是指以计算机技术为基础的新型工业控制装置。数十年来，对于PLC的定义多种多样，其中比较全面准确的是在1987年国际电工委员会（InternationalElectricalCommittee）颁布的PLC标准草案中对PLC所作的如下的定义：“PLC是一种专门为在工业环境下应用而设计的数字运算操作的电子装置。它采用可以编制程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序运算、计时、计数和算术运算等操作的指令，并能通过数字式或模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。PLC及其有关的外围设备都应该按易于与工业控制系统形成一个整体，易于扩展其功能的原则而设计。”PLC的整体外观图如图2.1所示。图2.1PLC的整体外观2PLC的特点\n西南交通大学本科毕业设计(论文)第88页（1）可靠性高、抗干扰能力强高可靠性是电气控制设备的关键性能。PLC由于采用了现代大规模集成电路技术，采用了严格的生产工艺制造，内部电路采取了先进的抗干扰技术，具有很高的可靠性。例如三菱公司生产的F系列PLC平均无故障时间高达30万小时。一些使用冗余CPU的PLC的平均无故障工作时间则更长。从PLC的机外电路来说，使用PLC构成控制系统，和同等规模的继电接触器系统相比，电气接线及开关接点已减少到数百甚至数千分之一，故障也就大大降低。此外，PLC带有硬件故障自我检测功能，出现故障时可及时发出警报信息。在应用软件中，应用者还可以编入外围器件的故障自诊断程序，使系统中除PLC以外的电路及设备也获得故障自诊断保护。这样，整个系统具有极高的可靠性也就不奇怪了。（2）配套齐全、功能完善、适用性强PLC发展到今天，已经形成了大、中、小各种规模的系列化产品。可以用于各种规模的工业控制场合。除了逻辑处理功能以外，现代PLC大多具有完善的数据运算能力，可用于各种数字控制领域。近年来PLC的功能单元大量涌现，使PLC渗透到了位置控制、温度控制、CNC等各种工业控制中。加上PLC通信能力的增强及人机界面技术的发展，使用PLC组成各种控制系统变得非常容易。（3）易学易用、深受工程技术人员欢迎PLC作为通用工业控制计算机，是面向工矿企业的工控设备。它接口容易、编程语言易于为工程技术人员接受。梯形图语言的图形符号与表达方式和继电器电路图相当接近，只用PLC的少量开关量逻辑控制指令就可以方便地实现继电器电路的功能。为不熟悉电子电路、不懂计算机原理和汇编语言的人使用计算机从事工业控制打开了方便之门。（4）系统的设计、建造工作量小，维护方便，容易改造PLC用存储逻辑代替接线逻辑，大大减少了控制设备外部的接线，使控制系统设计及建造的周期大为缩短，同时维护也变得容易起来。更重要的是使同一设备经过改变程序改变生产过程成为可能。这很适合多品种、小批量的生产场合。（5）体积小、重量轻、能耗低以超小型PLC为例，新近出产的品种底部尺寸小于100mm，重量小于150g，功耗仅数瓦。由于体积小很容易装入机械内部，是实现机电一体化的理想控制设备。3PLC的应用目前，PLC在国内外已广泛应用于钢铁、石油、化工、电力、建材、机械制造、汽车、轻纺、交通运输、环保及文化娱乐等各个行业，使用情况大致可归纳为如下几类。\n西南交通大学本科毕业设计(论文)第88页（1）开关量的逻辑控制这是PLC最基本、最广泛的应用领域。它取代传统的继电器电路，实现逻辑控制、顺序控制，既可用于单台设备的控制，也可用于多机群控及自动化流水线。如注塑机、印刷机、订书机械、组合机床、磨床、包装生产线、电镀流水线等。（2）模拟量控制在工业生产过程当中，有许多连续变化的量，如温度、压力、流量、液位和速度等都是模拟量。为了使可编程控制器处理模拟量，必须实现模拟量（Analog）和数字量（Digital）之间的A/D转换及D/A转换。PLC厂家都生产配套的A/D和D/A转换模块，使可编程控制器可用于模拟量控制。（3）运动控制PLC可以用于圆周运动或直线运动的控制。从控制机构配置来说，早期是直接用于开关量的I/O模块连接位置传感器和执行机构，而现在一般使用专用的运动控制模块。如可驱动步进电机或伺服电机的单轴或多轴位置控制模块。世界上各主要PLC厂家的产品几乎都有运动控制功能，广泛用于各种机械、机床、机器人、电梯等场合。（4）过程控制过程控制是指对温度、压力、流量等模拟量的闭环控制。作为工业控制计算机，PLC能编制各种各样的控制算法程序，完成闭环控制。PID调节是一般闭环控制系统中用得较多的调节方法。大中型PLC都有PID模块，目前许多小型PLC也具有此功能模块。PID处理一般是运行专用的PID子程序。过程控制在冶金、化工、热处理、锅炉控制等场合有非常广泛的应用。（5）数据处理现代PLC具有数学运算（含矩阵运算、函数运算、逻辑运算）、数据传送、数据转换、排序、查表、位操作等功能，可以完成数据的采集、分析及处理。这些数据可以与存储在存储器中的参考值比较，完成一定的控制操作；也可以利用通信功能传送到别的智能装置；或将它们打印制表。数据处理一般用于大型控制系统，如无人控制的柔性制造系统，也可用于过程控制系统，如造纸、冶金、食品工业中的一些大型控制系统。（6）通信及联网PLC通信含PLC间的通信及PLC与其它智能设备间的通信。随着计算机控制的发展工厂自动化网络发展得很快，各PLC厂商都十分重视PLC的通信功能，纷纷推出各自的网络系统。新近生产的PLC都具有通信接口，通信非常方便。4PLC的基本结构和工作原理（1）PLC基本结构\n西南交通大学本科毕业设计(论文)第88页中央处理器：由控制电路（CPU）和存储器组成，用于控制、读取指令、处理和执行指令等，另外存储器拥有记忆功能，用来存放系统程序、用户程序、逻辑变量和其他信息。CPU是运算和控制中心到起“心脏”的作用。当从编程器输入的程序存入到用户程序存储器中，然后CPU根据系统所赋予的功能（系统程序存储器的解释编译程序），把用户程序翻译成PLC内部所认可的用户编译程序。输入状态和输入信息从输入接口输进，CPU将之存入工作数据存储器中或输入映像寄存器。然后由CPU把数据和程序有机地结合在一起。把结果存入输出映像寄存器或工作数据存储器中，然后输出到输出接口、控制外部驱动器。存储器：具有记忆功能的半导体电路。分为系统程序存储器和用户存储器。系统程序存储器用以存放系统程序，包括管理程序，监控程序以及对用户程序做编译处理的解释编译程序。由只读存储器、ROM组成。厂家使用的，内容不可更改，断电不消失。输入接口：光电耦合器由两个发光二极度管和光电三极管组成。发光二级管：在光电耦合器的输入端加上变化的电信号，发光二极管就产生与输入信号变化规律相同的光信号。光电三级管：在光信号的照射下导通，导通程度与光信号的强弱有关。在光电耦合器的线性工作区内，输出信号与输入信号有线性关系。输入接口电路工作过程：当开关合上，二极管发光，然后三极管在光的照射下导通，向内部电路输入信号。当开关断开，二极管不发光，三极管不导通。向内部电路输入信号。也就是通过输入接口电路把外部的开关信号转化成PLC内部所能接受的数字信号。输出接口工作过程：当内部电路输出数字信号1，有电流流过，继电器线圈有电流，然后常开触点闭合，提供负载导通的电流和电压。当内部电路输出数字信号0，则没有电流流过，继电器线圈没有电流，然后常开触点断开，断开负载的电流或电压。也就是通过输出接口电路把内部的数字电路化成一种信号使负载动作或不动作。输入输出部分：为PLC与被控设备相连接的接口电路，用户输入的各种指令都要通过接口将这些信号转换成中央处理器能够接受和处理的信号，输出接口电路将中央处理器送出的弱点控制信号转换成现场需要的强电信号输出，以驱动各元气件。编程器：编程器可分为两种，一种是手持编程器，方便。我们实验室使用的就是手持编程器。二种是通过PLC的RS232口与计算机相连，然后敲击键盘，通过NSTP-GR软件（或WINDOWS下软件）向PLC内部输入程序。（2）PLC工作原理\n西南交通大学本科毕业设计(论文)第88页PLC采用循环扫描工作方式，这种工作方式是在系统软件控制下，顺次扫描各输入点的状态，按用户程序进行运算处理，然后顺序向各输出点发出相应的控制信号。整个过程可分为3个阶段：输入刷新，用户程序执行，输出刷新。其工作过程如图2.2所示。输入端输入状态寄存器第一条指令第二条指令最后一条指令输出状态寄存器输出端用户程序存储器图2.2PLC的扫描工作过程PLC的中央处理器在开始时，首先对各个输入端进行扫描，将输入端的状态送到输入状态寄存器中，这是输入刷新阶段。然后中央处理器将指令逐条调出并执行，以对输入和原输出状态(这些状态统称为数据)进行“处理”，即按程序对数据进行逻辑、算术运算，再将正确的结果送到输出状态寄存器，这就是程序执行阶段。当所有的指令执行完毕时，集中把输出状态寄存器的状态通过输出部件转换成被控设备所能接收的电压或电流信号，以驱动被控设备，这就是输出刷新阶段。由于输入刷新阶段是紧接输出刷新阶段之后马上进行的，所以要将这两个阶段统称为I/O刷新阶段。实际上，除了执行程序和I/O刷新外，PLC还要进行各种错误检测(自诊断功能)，并与编程器或计算机等编程工具进行通信，这些操作统称为“监视服务”。PLC经过上述这3个阶段的工作过程，称为一个扫描周期，完成一个扫描周期后又重新执行上述过程，扫描周而复始的进行。5PLC控制系统与继电器控制系统的比较PLC的出现就是为了解决传统的继电器控制的一些问题，下表2-1就将继电器控制与PLC控制系统所了一个简单的比较。表2-1继电器控制系统与PLC控制系统比较\n西南交通大学本科毕业设计(论文)第88页比较项目继电器控制系统PLC控制系统控制功能的实现有许多继电器，采用接线的方式来完成控制功能各种控制功能是通过编制的程序来实现的对生产工艺过程变更的适应性适应性差，需要重新设计，改变继电器和接线适应性强，只需对程序进行修改控制速度低，靠机械动作实现及快，靠处理器进行处理计数及其他特殊功能一般没有有安装，施工连线多，施工繁安装容易，施工方便可靠性差，触点多，故障多高，因元器件采取了筛选和老化等可靠性措施寿命短长可扩展性困难容易维护工作量大，故障不易查找有自诊能力，维护工作量小由上表可以看出，PLC控制系统与继电器控制系统相比较有着无可比拟的优点。我们可以预知，随着PLC的进一步发展完善，传统的继电器控制系统被PLC控制系统所替代是大势所趋。2.2运动控制技术2.2.1运动控制技术综述传统运动控制的内容是电气传动技术，19世纪中期开始使用直流电气传动，到19世纪末交流电气传动开始广泛应用。早期的运动控制通常仅实现点到点的控制，在起点和终点装有位置开关，到位后停止运动。随着生产的不断发展，对电气传动品质的要求也不断提高，包括正反转及起动、速度的调整并保证精度等。从20世纪30年代开始使用直流调速系统，并在很长的时间里形成“直流调速，交流恒速”\n西南交通大学本科毕业设计(论文)第88页的格局。直流电机的主要缺点是具有电刷和换向器，造成维护工作量大及成本较高。直到20世纪60年代，电力电子技术的发展使交流变频装置逐步推广。目前交流调速系统已实现了高精度、大量程、快速反应等技术性能，达到流调速系统的水平。但交流调速产品的成本和维护费用较低，据统计，目前的调速产品80%以上采用交流调速技术。为提高产量、质量、生产率和降低成本，从20世纪初起在制造业开始采用被称为“大量生产方式”的新技术，在零件加工中大量使用专用机床，在装配线工序采用流水线作业，形成“刚性生产线”。在此阶段运动控制技术也逐渐从位置控制、速度控制发展到加速度控制和轨迹控制等。运动控制系统按照被控量的性质和运动控制方式可以分成：位置控制、速度控制和加速度控制、同步控制、力和力矩控制。按照伺服机构的能源供给可分为电气、气动和液压三种。气动和液压伺服机构适用于要求防爆、输出力矩要求较大、控制精度要求较低的场合，目前在工业领域也使用非常广泛。图2.3为典型的运动控制系统示意图。运动控制系统的控制目标可能为位置控制、速度控制、加速度控制和转矩控制等。位置控制是将某负载从某一确定的空间位置按某种轨迹移动到另一确定的空间位置，数控机床的自动装夹装置和机器人就是典型的位置控制系统。速度和加速度控制是以确定的速度曲线使负载产生运动，如风机和水泵通过调速来调节流量和压力、电梯通过速度和加速度调节来实现平稳升降和平层。转矩控制则要通过转矩的反馈来维持转矩的恒定，或遵循某一规律变化，这样的系统如轧钢机械、造纸机械和传送带中的张力控制等。这些控制目标往往是互相配合工作的，例如电梯运动控制系统一般包括位置控制、速度及加速度控制等。操作员站控制器驱动器伺服机构机械装置检测机构能源图2.3典型的运动控制系统示意图操作员站：是工业现场操作人员使用的设备，它提供控制系统与操作人员的完整接口，操作人员通过它实现各种控制调节和管理功能。通常采用PC装载组态软件，运行人员通过专用键盘、鼠标可进行各种操作。\n西南交通大学本科毕业设计(论文)第88页运动控制器：是运动控制系统的核心。它的控制目标值由处于上级地位的操作员站提供，在恒速系统中是速度给定，在伺服系统中是速度时间曲线，也可以是定位指令或一条运动轨迹。它可以是专用控制器，但更多是采用具有通信能力的智能装置，如工业控制计算机（IPC）或可编程控制器（PLC）等。它实现控制算法，如PID算法、模糊控制算法、各类校正算法，现代运动控制器还可以实现各种先进控制算法。驱动器：它将控制器输出的小信号放大以驱动伺服机构。针对不同类别的伺服机构，驱动器有电动、液压、气动等类型。在采用PLC为运动控制器时，驱动器通常为变频器、可逆电动机驱动器、步进电动机驱动器等。伺服机构：它是运动控制系统中的重要部分，选择运动控制系统伺服机构的基本原则是：第一，在整个过程中都能拖动负载；第二，伺服机构的性能是运动控制系统动态响应的基本限制因素，选择时必须考虑它对控制系统性能的影响；第三，要求低速时运行平稳及扭矩脉动小，高速时运行振动噪声小。在运动控制系统中，电机伺服机构一般为电动机。为了适应数字技术发展趋势，目前控制电动机大多采用步进电机或全数字化交流伺服电动机。检测装置：它相当于人体的感官，是运动控制系统中不可缺少的组成部分。在运动控制系统中通过传感器获取系统中的几何量和物理量的信息，这些信息可提供给控制器，为控制器实现控制策略提供依据。没有信息反馈的控制是盲目的，而错误的信息反馈也会导致控制的失误。因此准确性和实时性是控制系统对测量反馈部分的基本性能要求，前者在一定程度上有传感器和以传感器为核心的测量反馈系统的静态特性所决定，而后者则取决于其动态特性。综上所述，运动控制通常是指在复杂条件下，将预定的控制目标转变成为期望的机械运动。运动控制系统使被控机械实现精确的位置控制、速度控制、加速度控制、转矩和力的控制，以及这些被控机械量的综合控制。运动控制技术综合了微电子技术、计算机技术、检测技术、控制技术、伺服驱动技术等学科的最新成就，是自动化技术的重要组成部分。2.2.2数控机床简介1数控机床的定义数字控制(NumericalControl，简称NC)技术是用数字化信息进行控制的自动控制技术，采用数控技术控制的机床，或者说装备了数控系统的机床，称之为数控机床。数控机床是机电一体化的典型产品，是集机床、计算机、电机及拖动、自动控制、检测等技术为一体的自动化设备。现代数控系统都为计算机数控系统(ComputerNumericalControl，简称CNC)。2数控机床的组成、工作原理及特点数控机床的基本组成包括加工程序、输入装置、数控系统、伺服系统、辅助控制装置、反馈系统及机床本体，如图2.4所示为数控系统的基本组成。\n西南交通大学本科毕业设计(论文)第88页加工程序输入装置数控系统机床辅助控制装置伺服系统反馈系统图2.4数控系统的基本组成数控机床进行加工，首先必须将工件的几何数据和工艺数据按规定的代码和格式编制成数控加工程序，并用适当的方法将加工程序输人数控系统。数控系统对输入的加工程序进行数据处理，输出各种信息和指令，控制机床各部分按规定有序的工作。这些信息和指令最基本的包括：各坐标轴的进给速度、进给方向和进给位移量，各状态控制的I/O信号等。伺服系统的作用就是将进给位移量等信息转换成机床的进给运动，数控系统要求伺服系统正确、快速地跟随控制信息，执行机械运动，同时，位置反馈系统将机械运动的实际位移信息反馈至数控系统，以保证位置控制精度。如图2.5所示为数控机床的加工过程。加工准备机床调整程序调试试切加工正式加工检测结果图2.5数控机床的加工过程总之，数控机床的运行在数控系统的控制下，处于不断地计算、输出、反馈等控制过程中，从而保证刀具和工件之间相对位置的准确件：与其他加工方法相比，数控机床有以下优点：1)数控系统取代了普通机床的手工操纵，具有充分的柔性，只要编制成零件程序就能加工出零件。2)零件加工精度一致性好，避免了普通机床加工时人为因素的影响。3)生产周期较短，特别适合小批量、单件的加工。4)可加工复杂形状的零件，如二维轮廓或三维轮廓加工。5)易于调整机床，与其他制造方法(如自动机床、自动生产线)相比，所需调整时间较少。\n西南交通大学本科毕业设计(论文)第88页3数控机床的分类（1）按用途分类①金属切削类数控机床金属切削类数控机床有数控车床、数控铣床、数控钻床、数控镗床、数控磨床、数控镗铣床等。②金属成型类数控机床金属成型类数控机床有数控折弯机、数控弯管机和数控压力机等。③数控特种加工机床数控特种加工机床有数控线切割机、数控电火花加工机床、数控激光加工机床等。（2）按运动方式分类①点位控制系统点位控制系统的特点是刀具或工作台只能实现从一个位置到另一个位置的精确移动，在移动和定位过程中不进行任何加工，数控系统只需控制行程终点的坐标值。为了尽可能地减少移动部件的运动和定位时间，一般先快速移动到终点坐标附近，然后再减速移动到定位点，以保证良好的定位精度。使用这类控制系统的数控机床主要有数控镗床、数控钻床、数控冲床及数控弯管机等。②点位直线控制系统点位直线控制系统的特点是刀具或工作台不但能实现从一个位置到另一个位置的精确移动，而且能实现平行于坐标铀的直线加工运动或沿与坐标轴成45°斜线进行直线切削加工，但不能沿任意料率的直线进行加上。应用这类控制系统的数控机床有数控车床、数控镗铣床和加工中心等。③轮廓控制系统轮廓控制系统也称连续控制系统，其特点是数控系统能够对两个或两个以上的坐标轴同时进行连续控制，在加工中，需要不断进行插补运算，然后进行相应的速度和位移控制，特工件加工成一定的轮廓形状。应用这类控制系统的数控机床有功能完善的数控车床、数控铣床、数控磨床、数控火焰切割机及数控线切割机等。轮廓控制系统可兼容点位直线控制系统和点位控制系统。（3）按控制方式分类①闭环控制系统闭环控制系统是在机床移动部件，如工作台上直接装有直线位置检测装置，将检测到的实际位置反馈到数控系统中，与系统中的位置指令值进行比较，用比较后的差值控制移动部件移动，直到差值消除时才停止移动。②半闭环控制系统半闭环控制系统是在伺服电动机上同轴安装，或在滚珠丝杠轴端安装有角位移检测装置，通过测量角位移间接地测量出移动部件的直线位移，然后反馈至数控系统中，控制方式同闭环控制系统。能实现角位移检测的装置有光电编码器、旋转变压器等。③开环控制系统\n西南交通大学本科毕业设计(论文)第88页开环控制系统是指不带位置反馈的控制系统。这种系统通常使用步进电动机作为执行元件。由于没有位置反馈，进给传动链的误差不能进行校正补偿，所以控制精度较低。但开环系统结构简单、运行平稳、成本低、使用维修方便，可应用于精度要求不高的经济型。第3章运动控制实验装置总体设计运动控制实验装置的设计首先要明白自己的功能要求，再利用现有资源合理的设计机械部分，以及选择合适的控制方式。对系统硬件和软件部分有一个整体的规划，这样才能够做到心中有数，科学合理的设计。3.1功能总体分析设计1运动轨迹要求本运动实验装置具有点动、点位控制以及平面演示功能。操作人员只需要点取操作界面中不同的按钮便能实现对应的功能。点动只需要选择你要点动的轴及方向，然而点位需要输入目标位置的X、Y坐标，平面演示看着对应的图案选取即可。需要说明的是每个操作完成后需要复位，才能继续下一个操作。2运动速度要求通常情况下，电机的运动速度曲线由加速、恒速、减速趋近定位点这三个部分组成。当电机由静止状态要转为运动状态时，启动的时候由于要克服自身转子的惯量和执行机构的惯性以及驱动执行机构要有一个加速运动的过程，这需要电机输出大扭矩，因此电机的起始转速不能过快，要防止电机产生失步的现象，先使电机低速大扭矩启动，然后产生一个速度渐升的过程;当电机达到一定转速后，整个机构对扭矩的要求并没有启动时要求那么大，惯性的影响没有启动时那么明显，静摩擦也转变为动摩擦，这时电机转速保持不变，维持当前恒速的运动状态一段时间，使执行机构保持目前的运动速度快速运动;当接近目标点时，电机要进行连续的减速，低速趋近目标点，防止机构由于惯性的原因不能在目标点停下，产生过冲的现象，影响定位进度。电机运动速度曲线中的减速和低速趋近定位点这两个过程，对定位精度有很重要的影响，恒速的阶段则保证了运动速度。3.2机械部分总体设计\n西南交通大学本科毕业设计(论文)第88页总体布局采用X、Y轴分立式结构，装配简单，两方向运动质量基本相同。X、Y轴的电机带动滚珠丝杠旋转，通过螺母副带动工作台在X、Y方向上移动，在平面上画图的装置Z方向固定在机床底座上，通过手动升降，触到画图平面纸，在X、Y轴的运动下绘出一定的图案，完成平面演示。机床底座、横梁工作台采用全花岗石，保证高温度稳定性。如图3.1表示为X-Y平面机械基本结构简图。图3.1X-Y平面机械基本结构简图3.3控制部分方案选择3.3.1实验室MPC02运动控制卡数控系统简介MPC02运控卡是基于PC机PCI总线的步进电机或数字式伺服电机的上位控制单元，采用专用控制芯片，最高输出频率可达2.4MHz。MPC02带有编码器反馈端口，主要适用于数字式交流伺服系统或要求较高的步进电机控制系统。每块MPC02卡可控制3轴步进电机或数字式伺服电机，并支持多卡共用，以实现多于三个运动轴的控制。同时，每轴均可输出脉冲和方向信号，以控制电机的运转，具备梯形及S形自动升降速处理功能。还可外接原点、减速、限位等开关信号，以实现回原点、保护等功能，这些开关信号由MPC02卡自动检测并作出反应。另外，MPC02卡还提供了适用于伺服系统的伺服使能和偏差清零信号接口，以及供用户使用的通用I/O接口。1运动控制驱动软件\n西南交通大学本科毕业设计(论文)第88页MPC02配备了功能强大、内容丰富的运动控制驱动软件工具。MPC02在插补算法和运动函数的执行效率方面采用了更有效的方法，提高了插补精度、插补速度和实时性。这些软件工具主要分为示范软件和运动函数库两大类。MPC02运动控制卡配备了功能强大、内容丰富的Windows动态链接库，用于运动控制程序的二次开发。用户只需在VisualC++或VisualBasic等支持DLL调用的软件开发环境中，编制用户应用程序时嵌入MPC02提供的Lib库、H头文件和模块声明文件，并与MPC02动态链接库DLL链接起来，就可以方便地开发出自己的各种运动控制系统，如数控机床、加工中心、机器人、自动检测设备等。MPC02的运动函数库能够完成与运动控制有关的复杂细节，如升降速、直线插补、圆弧插补等，这样就可以大大缩短各种运动轨迹的软件控制系统的开发周期。其他常见的32位开发工具，如Delphi、C++Builder等也很容易使用MPC02A的函数库。另外，支持Windows动态链接库的组态软件也可以使用运动控制卡。利用MPC02的示范软件，既可以很快地熟悉MPC02运控卡的软、硬件功能，又可以方便快捷地测试执行电机及驱动系统在完成各种运动时的性能特性。2MPC02的结构MPC02运控卡作为开发运动控制系统的平台，其结构是开放式的。该卡插在PC机PCI扩展槽内使用，使运控卡的数量和各卡上的控制轴数可方便地配置。MPC02卡提供了功能强大的运动控制函数库，并可以充分利用PC机现有的资源来开发完美的运动控制系统。MPC02运控卡的结构示意如图3.2所示。图3.2MPC02结构示意图由于MPC02的开放式结构，使其应用范围十分广泛，在由步进电机和数字式伺服电机组成的基于PC机的运动控制系统中，都可以使用MPC02作为核心控制单元。\n西南交通大学本科毕业设计(论文)第88页3.3.2运动控制器件的种类目前电机的驱动控制可以由数控系统、微控制单元(MCU，即单片计算机)、通用计算机、运动控制器、专用运动控制芯片、可编程逻辑器件、PLC等控制。(1)全功能数控系统在我国数控机床上使用的数控系统中，大多数实力比较强的企业都使用进口的高档数控系统，也有一些企业使用国产数控。纵观这些数控系统，都具有十分强大的功能，能够适应多种加工场合。当然功能越强，造价就越高，并且有很多功能企业根本就没有使用，这就造成了巨大的浪费.而且造价高了有很多企业就不愿意在这个方面投资。所以针对我国的中小制造企业来说，发展经济型数控系统就显得尤为重要了。(2)基于微控制单元采用微控制单元(MCU，即单片计算机)将CPU,RAM,ROM或EPROM,CTC,UO等集成在一块芯片上，具有集成度高、速度快、功耗低、抗干扰能力强、重量轻、体积小、功能强、价格低等诸多优点，并且微控制单元的功能愈来愈强，因而目前使用微控制单元为核心构成运动控制器非常普遍。然而一般微控制单元集成度较低，片上不具备运动控制系统所需要的专门外设，使以微控制单元为核心的运动控制器仍然需要较多的周边元器件，如要加上存储器、编程器信号处理及D/A转换电路等，软硬件设计的工作量较大，并增加了系统硬件的复杂性，降低了系统的可靠性。(3)基于通用计算机采用通用计算机控制可以用高级的编程语言形成良好的控制界面，便于进行操作。而且计算机强大的运算能力也有助于对电机的控制。在通用计算机上，利用高级语言编制相关的控制软件，配合与计算机进行信号交换的通信接口板和驱动电机的电路板，构成一个运动控制系统。这种实现方法利用计算机的高速度、强大运算能力和方便的编程环境，可以实现高性能、高精度、复杂的控制算法，并且控制软件的修改也和方便。但是，由于通用计算机本身的限制，难以实现实时性要求高的信号处理算法；同时，系统体积过大，难以应用于工业现场。因此，这种实现方法一般用作上位机，与下层的实时系统一起构成两级或多级运动控制系统。如图3.3所示的一套基于PC机的数控系统框图。\n西南交通大学本科毕业设计(论文)第88页图3.3基于PC机的数控系统框图（4）基于运动控制器近年来，随着运动控制技术的不断进步和完善，运动控制器作为一个独立的工业自动化控制类产品，已经被越来越多的产业领域接受。目前，运动控制器从结构上主要分为如下3大类：基于计算机标准总线的运动控制总线的运动控制器，具有开放体系结构。这种运动控制器大都采用DSP或微机芯片作为CPU，可完成运动规划、高速实时插补、伺服滤波控制和PLC功能；Soft型开放式运动控制器，它提供给用户最大的灵活性。运动控制软件全部装在计算机中，而硬件部分仅是计算机与伺服驱动和外部I/O之间的标准化通用接口。用户可以在WINDOWS平台和其他操作系统的支持下利用开放的运动控制内核，开发所需的各种类型的高性能运动控制系统，从而提供给用户更多的选择和灵活性。Soft型开放式运动控制的特点是开发、制造成本相对较低，能够给予系统集成商和开发商更加个性化的发展；嵌入式结构的运动控制器，它把计算机嵌入到运动控制器中，能够独立运行。它与计算机之间的通信依然是靠计算机总线，实质上是基于总线结构的运动控制器的一种变种。对于标准总线的计算机模块，这种产品采用了更加可靠的总线连接方式（采用针式连接器），更加适合工业应用。在使用中，采用如工业以太网、RS485，SFRCOS，PROFIBUS等现场网络通信接口连接上级计算机或控制面板。嵌入式的运动控制器也可配置软盘和硬盘驱动器，甚至可以通过Internet进行远程诊断。（5）基于专用运动控制芯片\n西南交通大学本科毕业设计(论文)第88页基于专用运动控制芯片的运动控制系统是实现电机控制所需的各种逻辑功能做在一块专用集成电路内，并提供一些专用的控制指令，同时具有一些诸如限位开关、零位开关处理、电机使能、报警等必须的辅助功能，使用户的软件设计工作减少到最小程度。对于伺服电机，用一个芯片即完成速度曲线规划、PID伺服控制算法、编码器信号的处理等多种功能。一些需要用户经常更改的参数如电机位置、速度、加速度、PID参数等均在芯片内部的RAM区内，可由计算机用指令很方便的修改。这种方法具有系统使用元件少、集成度高、可靠性好等优点，同时又保持了模拟控制系统的快速响应能力。专门运动控制芯片价格便宜，使系统成本较低。但由于受专用运动控制芯片本身的限制，这种方法也有一些缺点：①为了保证较高的系统响应速度而将软件算法固化在芯片内部，降低了系统的灵活性，不具有扩展能力；②受芯片制作工艺的限制，现有的芯片很难实现复杂的控制算法和功能；③用户不能对芯片进行编程，很难实现系统的升级；④由于芯片本身算法的限制，系统的控制精度较低，难以实现高性能、高精度的应用场合。（6）基于可编程逻辑器件由于现场可编程门阵列（FPGA）/复杂可编程逻辑器件（CPLD）具有用户可编程的特性，使得用户可以利用系统开发软件或VHDL等开发语言，通过软件编程实现运动控制算法。并将这些算法下载到相应的可编程逻辑器件中，从而最终以硬件的方式实现运动控制。这种方法的优点是：①系统的主要功能都可在单片FPGA-CPLD器件中实现，减少了所需的元器件个数，缩小了系统体积；②由于可编程器件具有系统可编程的特性，因而具有良好的扩展性和可维护性，通过修改软件即可实现系统的升级；③系统以硬件实现，响应速度快，可实现并行处理；④容易开发，通用性强。但是由于使用可编程逻辑器件实现的控制算法越复杂，器件内部需要的晶体管门数越多，成本就越高，因此一般使用可编程逻辑器件实现较简单的控制算法，构成较简单的运动控制系统。（7）基于可编程控制器可编程控制器（PLC）是以微处理器为基础，在硬件接线逻辑控制技术和计算机技术的基础上发展起来的。它是将计算机技术与自动化控制技术综合为一体的工业控制产品，由中央处理单元、存储器、输入\输出单元、电源、编程器等组成，是专为在工业环境下应用而设计的一种工业控制计算机。可编程控制器一般都具有脉冲输出功能，以它作为运动控制器，可以控制接受脉冲和方向信号工作的电机，如步进电机和数字式交流伺服电机等。这种控制方式具有体积小、可靠性高，通用性强，成本较低，软、硬件开发周期短，安装维护方便，在工业现场抗干扰能力强等优点。但由于PLC是以循环扫描方式工作，即每一次状态变化需要一个扫描周期，其扫描周期一般在几毫秒至几十毫秒之间（视PLC工作速度和用户程序大小而定）。由于受到PLC工作方式的限制以及扫描周期的影响，被控制电机不能在高频下工作，转速较慢，且不能实现复杂的运动关系，故一般只应用在对精度和速度要求不高的运动控制场合。综合以上各种运动控制器的比较，分析所选取的驱动电机对运动控制器的要求，以及实验室现有的设备，这套运动控制实验装置选取PLC作为运动控制器件。\n西南交通大学本科毕业设计(论文)第88页3.3.3控制方式的比较选择执行元件是运动控制系统中的重要组成部分，根据其在系统中的作用，选择执行元件时一般的考虑原则是：(1)在整个工作循环中都能拖动负载按预期的运动要求。(2)执行元件的性能是运动控制系统动态响应的基本限制因素，所以选择执行元件不但要考虑满足负载拖动的要求，还要考虑它对系统控制性能的影响。(3)对启、停频率要求低，还要低速平稳及扭矩脉动小，高速运行时振动噪音小。在整个调速范围内运行平稳的机械，如NC工作机械的进给运动，机器人驱动系统，要求其功率密度P/W(P为执行元件输出功率，W是它的重量)大;而对启、停频繁，低速平稳性要求不高的机械，如高速打印机，绘图机等，则要求有较高的扭矩惯量比TN：JM(TN为额定输出扭矩，JM为输出轴转动惯量)。一控制电机的特点及要求控制电机是电动机的一种，它除有一般电动机将电能转变为机械能的基本功能以外，由于其特殊性，还具有下列特点及要求：(1)可控性执行电机是将控制电信号转变为机械运动的元件，可控制性是控制电机应首先具有的功能。(2)高精度要求确使机械运动满足系统的要求，必须执行元件具有较高精度。(3)快速性在有些系统中，控制指令经常变化，有些变化非常迅速，所以要求执行元件应能做出快速响应。控制电动机的快速性也是其基本要求。(4)可靠性整个系统得可靠性取决于所有组成部分的可靠性，执行元件是系统的主要组成部分，它的可靠性显得干分重要。(5)经济性经济性是任何工程技术的一个重要指标，控制电动机也毫不例外，况且控制电机在系统中所占经济价值的比例较大，控制电机的经济性显得尤为重要.(6)环境适应性\n西南交通大学本科毕业设计(论文)第88页控制电机应具有良好的环境适应性，往往比一般电动机的环境要求高许多。为了适应数字技术发展趋势，目前控制电机大多采用步进电机或全数字化交流伺服电机。以下介绍两者的特点及应用情况。二步进驱动技术和交流伺服驱动技术1步进驱动技术(1)步进电机的工作原理和特点步进电机是一种把电脉冲信号转换成角位移的电气机械。其转子的转角与输入脉冲数成正比，转子的脉冲与单位时间内脉冲数成正比。转矩是由于磁阻作用产生的，旋转方向则取决于脉冲的顺序，步进电机是一种离散运动控制，在数字控制系统中广泛采用。按照作用原理，步进电机分为反应式、永磁式和混合式三种类型，其中以混合式步进电机应用最为广泛。混合式步进电机也称为感应式同步电动机，它既具有反应式步进电机的高分辨率，每转步数比较多的特点，又具有永磁式步进电机的高效率，绕组电感比较小的特点，故称为混合式。按照相数，可分为两相、三相和五相步进电机。相数越多，步距角越小，电机运行越平稳，控制精度越高。由步进电机组成的步进传动系统具有如下优点：(a)步进电机是一种离散运动的执行装置，它和现代数字控制技术有着内在的联系，很容易和其他数字器件进行接口。(b)步进电机位置误差无积累。(c)步进电机可以位置开环方式进行控制，位置开环，不需要位置反馈，系统结构简单，不存在系统稳定性的问题。(d)永磁式或混合式步进电机，除停转期间消耗的电能较小以外，它们还具有记忆转矩的功能。可以在停电的条件下将转子锁定在特定的位置上。步进电机主要应用在开环、控制精度及响应速度要求不太高的运动控制场合。如数字控制系统、工具控制系统、程序控制系统等。步进电机最简单的运行方式是与控制脉冲组成开环系统，如图3.4表示由步进电机、驱动控制器和控制脉冲组成的开环系统。\n西南交通大学本科毕业设计(论文)第88页图3.4步进驱动系统原理框图(2)步进电机的控制技术步进电机的驱动控制技术由环形分配器和功率放大器组成。环形分配器的主要功能是将数控装置的插补脉冲，按步进电机所要求的规律分配给步进电机的驱动电源的各相输入端，以控制励磁绕组的通断、运行及换向。当步进电机在一个方向上连续运行时，其各相通断或脉冲分配是一个循环，因此称为环形分配器。(a)脉冲分配环形分配器的功能可由硬件和软祥的方法来实现，分别称为硬件环形分配器和软件环形分配器。硬件脉冲分配器可以用门电路或逻辑电路构成，提供符合步进电机控制指令所需的顺序脉冲。目前己有很多可靠性高、尺寸小、使用方便的集成脉冲分配器供选择。脉冲分配器主要通过一个脉冲输入控制步进电机的速度，一个输入端控制电机的转向，并有与步进电机相数相同数目的输入端分别控制电机的各相。这种硬件脉冲分配器通常直接包含在步进电机驱动器内。在数控系统中，通过插补运算，得到每个坐标轴的位移信号，通过输出接口，步进电机驱动器发出高速脉冲信号和正反转信号，可以控制步进电机的运行。在计算机控制的步进电机驱动系统中，也可以采用软件的方法实现环形脉冲分配。如图3.5所示，是一个5031单片机与步进电机驱动电路接口连接的框图。Pi口的三个引脚信号经光电隔离、功率放大后，分别与步进电机的A,B,C三相连接。通过依次改变PLO,PLl,P1.2的输出状态来改变A,B,C\n西南交通大学本科毕业设计(论文)第88页三相的通电顺序，即可使电机正反运转。采用软件进行脉冲分配虽然省去了硬件脉冲分配器，降低了成本，但增加了软件编程的复杂程度。目前很少采用这种方式。图3.5软件环形分配原理图(b)功率放大器从环形分配器输出的进给控制信号的电流只有几毫安，而步进电机的定子绕组需要几安培的电流，因而需要对从环形分配器输出的进给控制信号进行功率放大。由于功放中的负载为步进电机的绕组，是感性负载，与一般功放不同点就由此产生，主要是:较大电感影响快速性，感应电势带来的功率管保护等问题。功率驱动器最早采用单电压驱动电路，后来出现了双电压(高电压)驱动电路、斩波电路、调频调压和细分电路等。单电压驱动电路的工作原理如图3.6所示，图中L为步进电机励磁线圈电感，Ra为绕组电阻并串接一电阻Rc，为了减少回路的时间常数L/(Ra+Rc)，电阻Re并联一电容C(可提高负载瞬间电流的上升率)，从而提高电机的快速响应能力和启动性能。续流二极管VD和阻容吸收回路RC，是功率管VT的保护线路。单电压驱动电路的优点是线路简单，缺点是电流上升不够快，高频时带负载能力低。\n西南交通大学本科毕业设计(论文)第88页图3.6步进电机单电压驱动电路原理图高低电压驱动电路的特点是给步进电机绕组的供电有高低两种电压，高压由电机参数和晶体管的特性决定，一般在80V至更高范围;低压即步进电机的额定电压，一般为几伏，不超过20V。图3.7为高低压供电切换线路的工作原理图。该电路有功率放大级、前置放大器和单稳延时电路组成。二极管Dd起高低压隔离作用，Dg和Rg构成高压放电回路。前置放大电路则起到将TTL电平放大到可以驱动功率导通的电流。高压导通时间由单稳延时线路调整，通常为100-60011s，对功率步进电机可达到几千微秒。\n西南交通大学本科毕业设计(论文)第88页图3.7高低压供电切换电路当环形分配器输出为高电平时，两只功率管VTg,VTd同步导通，步进电机绕组以ug、即十80V的电压供电，绕组以LJ(Rd十r)的时间常数向稳定值上升，当达到单稳延时时间tg时，VTg功率管截止，改为由ud即+12V供电，维持绕组的额定电流。若高低压之比ug/ud，则电流上升率将提高ug/ud倍，上升时间减小。当低压断开时，绕组中的储存的能量将通过ud-VDd-Rd-L-Rg-VDg构成放电回路，放电电流的稳定值为(ud-ug)/(Rg+Rd+r)，因此加快了放电过程。高低压供电电路由于加快了电流上升和下降时间，故有利于提高步进电机的启动频率和连续工作频率。另外，由于额定电流由低电压维持，只需要较小的限流电阻，减小了系统的功耗。(c)步进电机的细分驱动技术细分驱动也称微步驱动，它通过控制电动机各相绕组中电流的大小和比例，从而使步距角减小到原来的几分之一至几十分之一。提高了步进电机的分辨率并减弱甚至消除了震荡，会大大提高的运行精度和平稳性。\n西南交通大学本科毕业设计(论文)第88页对应一个通电脉冲，步进电机的转子转动一步。当三相步进电机在双三拍工作时，由于两相同是通电，则转子齿与定子齿不能对齐，而是停在两个齿的中间位置。若两相统一不同大小的电流，那么转子齿不会停在两相齿的中间，而会偏向绕组通过电流较大的那个齿。如果将额定电流分成n等分，使同时通电的两个绕组的通电电流差1/n逐渐变化，从额定电流的1/n倍依次增加到1倍，则此时步进电机每转动一次的步距角就会变成原来步距角的1/2n左右。但这种对额定电流的线性分配不能保证步距角的线性变化。2交流伺服驱动技术(1)交流伺服电机的分类交流伺服电机分为交流永磁式伺服电机和交流感应式伺服电机。永磁式交流伺服电机相当于交流同步电动机，常用于进给伺服系统;感应式交流伺服电机相当于交流感应异步电机，常用于主轴伺服系统。两种伺服电机的原理都是由定子绕组产生旋转磁场，使转子跟随定子旋转磁场一起运行。不同点是交流永磁式伺服电机的转速与外加交流电源的频率存在着严格的同步关系，即电动机的转速等于同步转速;而感应式伺服电机由于需要转速差才能产生电磁转矩，所以电动机的转速低于同步转速，转速差随着负载的增大而增大。同步转速的大小等于交流电源的频率除以电机极对数。因而交流伺服电机可以通过改变供电电源频率的方法来调节其转速。(a)永磁式交流同步电机永磁式交流同步电机由电子、转子和检测元件三部分组成。定子具有齿槽，槽内嵌有三相绕组，其形状与普通感应电动机的定子结构想同。但为了改善伺服电机的散热性能，齿槽有的呈多边形，且无外壳。转子由多块永久磁铁和冲片组成。这种结构的转子特点是气隙磁密度较高，极数较多。转子结构还有一类是具有极靴的星形转子，采用矩形磁铁或整体星形磁铁。转子磁铁磁性材料性能直接影响伺服电机的性能和外形尺寸。现在一般采用第三代稀土永磁合金钦铁硼合金，它是一种最有前途的稀土永磁合金。永磁式交流同步电机的原理与电磁式同步电机的工作原理相同，即定子三相绕组产生的空间磁场和转子磁场相互作用，是定子带动转子一起旋转。所不同的是转子磁极不是由转子的三相绕组产生的，而是由永久磁铁产生的。其工作过程是：当定子三相绕组通以交流电后，产生一旋转磁场，这个旋转磁场以同步转速气旋转，根据磁极的同性相斥，异性相吸的原理，定子旋转磁场与转子永久磁场的磁性相互吸引，并带动转子一起旋转。因此转子也将以同步转速旋转。当转子轴加上外负载转矩时，转子磁极的轴线将与定子磁极的轴线相差一个角，若负载越大，差角也将随之增大。只要负载不超过一定限度，转子就会与旋转磁场一起旋转。\n西南交通大学本科毕业设计(论文)第88页永磁式交流同步伺服电机的转速一扭矩曲线分为连续工作区和断续工作区两部分。在连续工作区内，速度与转矩的任何组合，都可以连续工作。连续工作区的划分有两个条件：一是供给电机的电流是理想的正弦波;二是电机工作在某一特定的温度下。断续工作区的限制一般受到电机的供电限制。断续工作区大时，有利于提高电机的加、减速能力，尤其在高速区。永磁式同步电机的缺点是启动难。这是由于转子本身的惯量、定子与转子之间的转速差过大，使转子在启动时所受的电磁转矩平均值为零所致，因此电机难以启动。解决的办法是在设计时设法减小电机的转动惯量，或在控制单元中采取先低速后高速的控制方法。（b）交流主轴电机交流主轴电机是基于感应式电动机的结构而专门设计的。通常为增加输出功率，缩小电机体积，采用定子铁心在空气中直接冷却的方法，没有机壳，且在定子铁心上做有通风口。因此电机外形多呈多边形而不是常见的圆形。转子机构与普通感应电动机相同，在电机轴尾安装检测用的码盘。交流主轴电机与普通感应电机的工作原理相同，在电机定子的三相绕组通以三相交流电时，就会产生旋转磁场，这个磁场切割转子中的导体，导体感应电流与定子磁场相互作用产生电磁转矩，从而推动转子转动，其转速为:（3.1）式中—同步转速—转子转速—供电电源频率—转差率—极对数(2)交流伺服系统的特点及应用交流伺服系统由交流伺服电机和伺服驱动器组成。它是作为无刷直流伺服系统的替代产品出现的。由于直流电机具有优良的调速性能，因此长期以来，在调速性能要求较高的场合，直流电机调速一直占据主导位置。但是由于它的电刷和换向的磨损，有时会产生火花，电机的最高速受到限制，而且直流电机结构复杂，成本较高，所以在使用中受到一定的限制。而近年来，交流伺服驱动技术有了飞速的发展，它不仅克服了直流伺服电机结构上存在整流子、电刷维护困难、造价高、寿命短、应用环境受到限制的缺点，同时又发挥了交流伺服电机的坚固耐用、经济可靠、动态响应好、输出功率大等优点，在某些场合交流伺服电机已经逐渐取代了直流伺服电机。\n西南交通大学本科毕业设计(论文)第88页根据电动机的类型，目前将交流伺服系统分为同步型交流伺服系统和异步型交流伺服系统。通常永磁同步交流伺服系统在定位运动控制系统，特别是在数控机床进给伺服中应用广泛。同步型交流伺服系统按照驱动电流的波形及工作原理，又可分为矩形波电流驱动的交流伺服系统和正弦波电流驱动的交流伺服系统。从发展趋势来看，正弦波驱动将成为主流。下文所涉及到的交流伺服系统即为正弦波驱动的永磁同步交流伺服系统。交流伺服系统的位置环、速度环和电流环都集成在伺服驱动器内部.伺服电机都带有高精度的光电编码器，给伺服驱动器提供高糟度的速度和位置反馈信号。与直流伺服电机相比，永磁交流伺服系统具有以下优点：(a)高可靠性和对维护保养要求不高(用电了逆变器取代了直流伺服电机换向器和电刷的机械换向，不必像直流电动机那样必须定期清理电刷、更新电刷和打扫换向器)。（b）转子转动惯量小，提高了伺服系统的快速响应能力。(c)电机散热性好。(d)电机可高速旋转(额定转速一般为3000rpm或2000rpm)。(e)在相同功率下，交流伺服电机有较小的重量和体积。交流伺服系统主要用于定位精度高、动态响应快及要求较高转速的定位运动控制系统中。如数控机床、车载或舰载雷达和医疗器械等自动化设备。(3)交流伺服系统的控制技术交流伺服电机一般由永磁同步电机、转子位置传感器、速度传感器组成，交流伺服电机和它的驱动器组成一个伺服系统。早期的交流伺服系统是一个典型的速度闭环系统;伺服驱动器从主控制系统接收电压变化范围为-U-U的速度指令信号。电压从-U变化到U的过程中，伺服电机可实现从反转最高速变化到零，然后再变化到正转最高速。但是，这种交流伺服系统只能实现对速度的闭环控制，还不能直接实现对位置的闭环控制。要实现对位置的闭环控制，必须在电机和控制系统间构成一个位置环。如图3.8所示。\n西南交通大学本科毕业设计(论文)第88页图3.8模拟式交流伺服系统控制框图(a)流伺服电机的变频调速与变频器如式(3.1)所示，只要改变交流伺服电机的供电频率，即可改变交流伺服电机的转速，所以交流伺服电机调速应用最多的是变频调速。变频调速的主要环节是为电机提供可变电源的变频器。变频器分为交一交变频和交—直—交变频两种。交一交变频利用可控硅整流器直接将工频交流电变成频率较低的脉动交流电。但这种方法所得到的交流电中波动比较大，而且最大频率即为变频器输入的工频电压频率。在交一直一交变频，它首先将交流电整流成直流电，然后将直流电压变成脉冲波电压，这个矩形脉冲波的基波频率即为所需的变频电压。这种调频方式所得的交流电波动小，调频范围比较宽。(b)SPWM波调制SPWM波调制，即称为正弦波PWM调制，是一种交一直一交变频的方法。由于PWM型变频器采用脉宽调制原理，改善了相控原理中的一些缺点，具有输入功率因数高和输出波形好的优点。因而在交流电机的调速系统中得到广泛的应用。SPWM调制的基本特点是等距、等幅、不等宽，而且总是中间脉冲宽，两边脉冲窄，其各个脉冲面积的和与正弦波下的面积成比例。所以脉冲宽度基本上按正弦波分布，它是一种最基本也是应用最广的调制方法。利用三角波电压与正参考电压相比较，以确定各分段矩形脉冲的宽度。电路图如图3.9所示。在电压比较器的两输入端分别输入正弦波参考电压uR和频率与幅值固定不变的三角波电压u△，在输出端便得到PWM调制电压脉冲。当u△uR时，输出为低电平。u△与uR的交点之间的距离随正弦波的大小而变化，而交点之间的距离决定了比较器输出脉冲的宽度，因而可以得到幅值相等而宽度不等的脉冲调制信号up。图3.9三角波调制电路原理图产生单极性PWM\n西南交通大学本科毕业设计(论文)第88页调制模式的基本原理首先由同极性的三角波调制电压与参考电压比较，产生PWM脉冲，然后将单极性的PWM脉冲信号与倒相信号相乘，得到正负半波对称的PWM脉冲调制信号。双极性PWM模式采用正负交变的双极性三角波与参考正弦波相比较，直接得到双极性的PWM脉冲波，不需要倒相电路。与单极性的PWM相比，双极性调制模式的控制电路和主电路比较简单，通过比较可得知，单极性的PWM模式输出电压的高次谐波要比双极性PWM模式的高次谐波小得多，这是单极性PWM模式的一个重要优点。上面介绍实现PWM的两种方法都是由硬件电路实现的，其缺点是所需硬件比较多，而且不够灵活，改变参数和调试比较麻烦。而由数字实现的SPWM逆变器，则采取以软件为基础的控制模式。其优点是所需硬件少，灵活性好，智能性强。但需要通过计算确定SPWM的脉冲宽度，有一定的延时和响应时间。然而随着高速、高精度多功能微处理器、微控制器和SPWM专用芯片的出现，采用微机控制的数字化SPWM技术己占当今PWM逆变器的主导地位.微机控制的SPWM控制模式有多种，常用的有自然取样法和规则取样法两种。自然取样法与采用模拟电路由硬件实现SPWM脉冲宽度的调制方法相类似，即微机采用算法寻找三角波与正弦波的交点，从而确定SPWM的脉冲宽度。三步进电机与交流伺服电机性能比较(1)控制精度不同两相混合式步进电机步距角一般为3.60°、1.80°，五相混合式步进电机步距角一般为0.72°,0.36°。也有一些高性能的步进电机步距角更小。如四通公司(STONE)生产的种用于慢走丝机床的步进电机，其步距角为0.09°;德国百格拉公司(BERGERLAHR)生产的二相混合式步进电机其步距角可通过驱动器面板上的拨码开关设置为1.80°、0.9°、0.72°、0.36°、0.18°、0.09°、0.072°、0.036°，兼容T两相和五相混合式步进电机的步距角。交流伺服电机的控制精度由电机轴后端的旋转编码器保证。对于带17位编码器的电机而言，驱动器每接收2"=个脉冲电机转一圈，即其脉冲当量为3600/=9.89秒。是步距角为1.8度的步进电机的脉冲当量的1/655。(2)低频特性不同步进电机在低速时易出现低频振动现象。振动频率与负载情况和驱动器性能有关，一般认为振动频率为电机空载起跳频率的一半。这种由步进电机的工作原理所决定的低频振动现象对于机器的正常运转非常不利。当步进电机工作在低速时，一般应采用阻尼技术来克服低频振动现象，比如在电机上加阻尼器，或驱动器上采用细分技术等。交流伺服电机运转非常平稳，即使在低速时也不会出现振动现象。交流伺服系统具有共振抑制功能，可弥补机械的刚性不足，并且系统内部具有频率解析机能(FFT)\n西南交通大学本科毕业设计(论文)第88页，可检测出机械的共振点，便于系统调整。(3)矩频特性不同步进电机的输出力矩随转速升高而下降，且在较高转速时会急剧下降，所以其最高工作转速一般在300-600rpm。交流伺服电机为恒力矩输出，即在其额定转速(一般为2000rpm或3000rpm)以内，都能输出额定转矩，在额定转速以上为恒功率输出。(4)过载能力不同步进电机一般不具有过载能力。交流伺服电机具有较强的过载能力。以松下交流伺服系统为例，它具有速度过载和转矩过载能力。其最大转矩为额定转矩的二倍，可用于克服惯性负载在启动瞬间的惯性力矩。步进电机因为没有这种过载能力，为了克服这种惯性力矩，往往需要选取具有较大静转矩的电机，而机器在正常工作期间又不需要那么大的转矩，便出现了力矩浪费的现象。(5)运行性能不同步进电机的控制为开环控制，启动频率过高或负载过大易出现丢步或堵转的现象，停止时转速过高易出现过冲的现象，所以为保证其控制精度，应处理好升、降速问题。交流伺服驱动系统为闭环控制，驱动器可直接对电机编码器反馈信号进行采样，内部构成位置环和速度环，一般不会出现步进电机的丢步或过冲的现象，控制性能更为可靠。(6)速度响应性能不同步进电机从静止加速到工作转速(一般为每分钟几百转)需要200-400毫秒。交流伺服系统的加速性能较好，以松下MSMA400W交流伺服电机为例，空载情况下，从静止加速到其额定转速3000rpm仅需几毫秒，可用于要求快速启停的控制场合。综上所述，在一些要求不高的场合经常用步进电机来做执行电动机，然而交流伺服系统在许多性能方面都优于步进电机。所以，在控制系统的设计过程中要综合考虑控制要求、成本等多方面的因素，选用适当的控制电机。开发这套运动控制系统的主要目的是给同学们提供一个动手操作、创新开发的平台。考虑到实验的精确性、实验装置的以后的进一步扩展，以及实验室现有的设备，选择交流电机作为这套运动控制系统的执行电机。3.4硬件总体设计经过比较分析，在上文中已经确定了采取交流伺服控制系统，PLC作为运动控制器，检测装置采用编码器，将反馈信号送入驱动器，构成闭环控制系统。X、Y轴用两个交流伺服电机控制运动，用户操作通过电脑中的组态软件来实现。综上，硬件系统由PC机、PLC、两个交流伺服电机及配套编码器、两个电机驱动器、机械工作台，当然还包括电源和数据线等。图3.10所示为硬件接线示意图。\n西南交通大学本科毕业设计(论文)第88页图3.10硬件接线示意图3.5软件总体设计编程用PLC厂家的配套专用编程软件。程序部分总共包括以下几个模块：主程序：主要负责系统的启动、停止等。原点设置程序：对于运动系统来说，原点的设置至关重要，在原点的基础上才谈得上坐标和运动。点动子程序：完成X、Y轴共四个方向运动的控制。点位子程序：当用户输入XY轴坐标时，控制工作台移动到指定的位置。平面演示子程序：包括“点亮希望”“奥运加油”两部分完成演示。复位程序：每个运动控制结束后都必须复位，然后才能进行下一个运动，一般复位就是回到原点。图3.11所示为PLC梯形图程序的总体结构图图3.11PLC梯形图程序的总体结构图\n西南交通大学本科毕业设计(论文)第88页第4章运动控制实验装置硬件设计在系统设计时，首先应确定控制方案，下一步工作就是工程设计选型。工艺流程的特点和应用要求是设计选型的主要依据。若有关设备是集成的、标准的，应按照易于与工业控制系统形成一个整体，易于扩充其功能的原则选型。所选用的系统硬件、软件配置及功能应与装置规模和控制要求相适应。本章将逐一介绍本运动控制实验装置的各硬件的选择。4.1PLC选型4.1.1PLC的选型方法熟悉可编程序控制器、功能表图及有关的编程语言有利于缩短编程时间，因此，工程设计选型和估算时，应详细分析工艺过程的特点、控制要求，明确所控制任务和范围确定所需的操作和动作，然后根据控制要求，估算输入输出点数、所需存储器容量、确定的功能、外部设备特性等，最后选择有较高性能价格比的和设计相应的控制系统。1输入输出点数的估算I/O点数估算时应考虑适当的余量，通常根据统计的输入输出点数，再增加10%～20%的可扩展余量后，作为输入输出点数估算数据。实际订货时，还需根据制造厂商的产品特点，对输入输出点数进行圆整。另外需要注意的是，一些高密度输入点的模块对同时接通的输入点数有限制，一般同时接通的输入点不得超过总输入点的60％；PLC每个输出点的驱动能力（A/点）也是有限的，有的PLC其每点输出电流的大小还随所加负载电压的不同而异；一般PLC的允许输出电流随环境温度的升高而有所降低等。在选型时要考虑这些问题。2存储器容量的估算存储器容量是可编程序控制器本身能提供的硬件存储单元大小，程序容量是存储器中用户应用项目使用的存储单元的大小，因此程序容量小于存储器容量。设计阶段，由于用户应用程序还未编制，因此，程序容量在设计阶段是未知的，需在程序调试之后才知道。为了设计选型时能对程序容量有一定估算，通常采用存储器容量的估算来替代。存储器内存容量的估算没有固定的公式，许多文献资料中给出了不同公式，大体上都是按数字量点数的10\n西南交通大学本科毕业设计(论文)第88页～15倍，加上模拟点数的100倍，以此数为内存的总字数（16位为一个字），另外再按此数的25%考虑余量。4.1.2PLC型号的选择PLC的类型：PLC按结构分为整体型和模块型两类，按其应用环境分为现场安装和控制室安装两类；按CPU字长分为1位、4位、8位、16位、32位、64位等。从应用角度出发，通常可按控制功能或输入输出点数选型。整体型的点数固定，因此用户选择的余地较小，用于小型控制系统；模型型提供多种卡件或插卡，因此用户可较合理地选择和配置控制系统的点数，功能扩展方便灵活，一般用于大中型控制系统。实验室现有的PLC均是松下的，有FP0、FP1、FP∑三种，然而FP∑拥有直线插补和圆弧插补的功能。考虑到为编程简单，并综合以上各个方面，本运动控制实验装置选用的是松下FPΣ－C32T型可编程序控制器，图4.1所示为FPΣ－C32T型可编程控制器实物图，图4.2所示为FPΣ－C32T2型可编程序控制器性能规格。图4.1FPΣ－C32T型可编程控制器实物图\n西南交通大学本科毕业设计(论文)第88页图4.2FPΣ－C32T2型可编程序控制器性能规格4.2电机及驱动器选择1电机的选择为了保证精确度，运动控制系统要具有良好的快速响应特性，加在电机轴上的负载惯量的大小将直接影响电机的灵敏度以及整个伺服系统的精度。因此伺服电机的选择是根据负载来定的，而电机轴上的负载主要有2种：负载扭矩和负载惯量，负载扭矩应小于所选电机的额定扭矩。为了满足快速响应的要求，电机应有较小的转动惯量和大的堵转转矩，并具有尽可能小的时间常数和启动电压，还应具有较长时间的过载能力，以满足低速大转矩的要求，能够承受频繁启动、制动和正、反转。盲目地选择大规格的电机，不仅增加成本，也会使得机床体积增大，结构不紧凑。因此选择电机时应充分考虑各方面的要求，以便充分发挥伺服电机的工作性能。（1）伺服电机的一般选择原则一般在确定了电机系列和额定转速后，按以下3个要素确定伺服电机容量：①负载惯量比若负载惯量比过大，则控制易变得不稳定，伺服参数调整也很困难。\n西南交通大学本科毕业设计(论文)第88页②短时间特性（加减速转矩）伺服电机除连续运转区域外，还有短时间内的运转特性如电机加减速，用最大转矩表示，最大转矩影响驱动电机的加减速时间常数③连续特性（工作状态载荷扭矩）对要求频繁起动、制动的数控机床，为避免电机过热，必须检查它在一个周期内电机转矩的均方根值，并使它小于电机连续额定转矩在选择的过程中依次计算三要素来确定电机型号，如果其中一个条件不满足则应采取适当的措施，如变更电机系列或提高电机容量等。以下就以所要改装的实验室X、Y轴伺服装置的X轴来通过计算，来校核实验室现有的富士GYS201DC2-T2型号电机，若满足要求，则在改装的PLC控制实验运动装置中使用富士GYS201DC2-T2型号电机。其主要规格见表4-1：表4-1X、Y轴伺服装置主要规格规格项目X轴Y轴移动方向工作台支撑方式丝杆直径/mm丝杆长度/mm丝杆导程/mm减速比机床加载的移动物质量/kg标准附加物质量/kg快速进给速度/(mm·min-1)直线水平20150610.505000直线水平20150610.505000（2）三要素的计算①伺服电机的负载惯量的计算伺服电机主要根据电机惯量的大小、编码器分辨率和额定转速来区分，伺服电机有适当的负载惯量倍率。负载惯量分为旋转负载和直线移动负载。对于X轴来说，旋转负载惯量为为0，只有直线负载惯量。直线移动负载惯量的计算如公式（4-1）所示：（4-1）\n西南交通大学本科毕业设计(论文)第88页其中，W表示质量，包括X轴加载的移动物质量和标准附加物质量的总和；ΔS表示丝杆导程，其大小可由表1获得。（）所以X轴负载惯量：，通过查取电机参数得知负载惯量为0.135，远远大于，满足要求。②短时间特性（加减速时间常数）的计算利用公式（4-2）计算加减速时间常数，判断目标在100ms以内。（4-2）其中，表示电机惯量（带制动）；表示最大扭矩，二者通过查取电机资料得=0.335，=1.91。表示非平衡扭矩，可根据移动物质量计算，其计算方法如公式（4-3）：（4-3）其中，表示负载质量；表示配重的质量；η驱动系统效率；g重力加速度。代入计算得：X轴的非平衡扭矩：表示摩擦扭矩，可根据移动物体的质量和摩擦系数计算，此时驱动系统的效率为1，计算方法如公式（4-4）：（4-4）其中μ为摩擦系数，此处取0.02，则代入计算得：X轴的摩擦扭矩：代入公式（4-2），得到加减速时间常数：，远远小于100ms，故而也满足条件。③连续特性（工作状态载荷扭矩）\n西南交通大学本科毕业设计(论文)第88页正常状态下，工作状态载荷扭矩，应不超过电机额定转矩的80%，即。如果知道负载扭矩和最大负载惯量比D，可用公式（4-5）计算。（4-5）而，，查电机额定转矩为，所以代入计算得：，而，远远大于，故而也满足要求。综上所述，伺服电机的选择原则是首先计算负载惯量和负载扭矩，从而判断负载惯量比和短时间特性，再对要求频繁启动停止的数控机床进行连续特性的判断，最终选择合适的电机，这样既便于充分发挥电机的性能，也避免选择电机过大而导致其他问题。以上介绍一种普遍的伺服电机的选择方法。经过计算校核，实验室现有富士GYS201DC2-T2型号电机完全满足要求，为了充分利用现有资源，故该运动控制实验装置就选取富士GYS201DC2-T2型号电机。图4.3所示为富士GYS201DC2-T2型号电机及其驱动器实物图。图4.3富士GYS201DC2-T2型号电机及其驱动器实物图\n西南交通大学本科毕业设计(论文)第88页4.3驱动器选择为了保证更加稳定的性能，驱动器选用和伺服电机配套的型号为RYC201D3-VVT2，图4.4所示为驱动器I/O信号规格。图4.4驱动器I/O信号规格4.4编码器选择4.4.1光电编码器简介光电编码器是一种集光、机、电为一体的数字化检测装置，它具有分辨率高、精度高、结构简单、体积小、使用可靠、易于维护、性价比高等优点。光电编码器可以定义为：一种通过光电转换，将输至轴上的机械、几何位移量转换成脉冲或数字量的传感器，它主要用于速度或位置（角度）的检测。典型的光电编码器由码盘（Disk）、检测光栅（Mask）、光电转换电路（包括光源、光敏器件、信号转换电路）、机械部件等组成。\n西南交通大学本科毕业设计(论文)第88页一般来说，根据光电编码器产生脉冲的方式不同，可以分为增量式、绝对式以及复合式三大类。按编码器运动部件的运动方式来分，可以分为旋转式和直线式两种。由于直线式运动可以借助机械连接转变为旋转式运动，反之亦然。因此，只有在那些结构形式和运动方式都有利于使用直线式光电编码器的场合才予使用。旋转式光电编码器容易做成全封闭型式，易于实现小型化，传感长度较长，具有较长的环境适用能力，因而在实际工业生产中得到广泛的应用，在本书中主要针对旋转式光电编码器，如不特别说明，所提到的光电编码器则指旋转式光电编码器。4.4.2增量式光电编码器1原理及其结构增量式光电编码器的特点是每产生一个输出脉冲信号就对应于一个增量位移，但是不能通过输出脉冲区别出在哪个位置上的增量。它能够产生与位移增量等值的脉冲信号，其作用是提供一种对连续位移量离散化或增量化以及位移变化（速度）的传感方法，它是相对于某个基准点的相对位置增量，不能够直接检测出轴的绝对位置信息。一般来说，增量式光电编码器输出A、B两相互差90°电度角的脉冲信号（即所谓的两组正交输出信号），从而可方便地判断出旋转方向。同时还有用作参考零位的Z相标志（指示）脉冲信号，码盘每旋转一周，只发出一个标志信号。标志脉冲通常用来指示机械位置或对积累量清零。增量式光电编码器主要由光源、码盘、检测光栅、光电检测器件和转换电路组成，如图4.5所示。码盘上刻有节距相等的辐射状透光缝隙，相邻两个透光缝隙之间代表一个增量周期；检测光栅上刻有A、B两组与码盘相对应的透光缝隙，用以通过或阻挡光源和光电检测器件之间的光线。它们的节距和码盘上的节距相等，并且两组透光缝隙错开1/4节距，使得光电检测器件输出的信号在相位上相差90°电度角。当码盘随着被测转轴转动时，检测光栅不动，光线透过码盘和检测光栅上的透过缝隙照射到光电检测器件上，光电检测器件就输出两组相位相差90°电度角的近似于正弦波的电信号，电信号经过转换电路的信号处理，可以得到被测轴的转角或速度信息。增量式光电编码器输出信号波形如图4.6所示。图4.5增量式光电编码器的组成\n西南交通大学本科毕业设计(论文)第88页图4.6增量式光电编码器的输出信号波形增量式光电编码器的优点是：原理构造简单、易于实现；机械平均寿命长，可达到几万小时以上；分辨率高；抗干扰能力较强，信号传输距离较长，可靠性较高。其缺点是它无法直接读出转动轴的绝对位置信息。2基本技术规格在增量式光电编码器的使用过程中，对于其技术规格通常会提出不同的要求，其中最关键的就是它的分辨率、精度、输出信号的稳定性、响应频率、信号输出形式。（1）分辨率光电编码器的分辨率是以编码器轴转动一周所产生的输出信号基本周期数来表示的，即脉冲数/转（PPR）。码盘上的透光缝隙的数目就等于编码器的分辨率，码盘上刻的缝隙越多，编码器的分辨率就越高。在工业电气传动中，根据不同的应用对象，可选择分辨率通常在500~6000PPR的增量式光电编码器，最高可以达到几万PPR。交流伺服电机控制系统中通常选用分辨率为2500PPR的编码器。此外对光电转换信号进行逻辑处理，可以得到2倍频或4倍频的脉冲信号，从而进一步提高分辨率。（2）精度增量式光电编码器的精度与分辨率完全无关，这是两个不同的概念。精度是一种度量在所选定的分辨率范围内，确定任一脉冲相对另一脉冲位置的能力。精度通常用角度、角分或角秒来表示。编码器的精度与码盘透光缝隙的加工质量、码盘的机械旋转情况的制造精度因素有关，也与安装技术有关。（3）输出信号的稳定性\n西南交通大学本科毕业设计(论文)第88页编码器输出信号的稳定性是指在实际运行条件下，保持规定精度的能力。影响编码器输出信号稳定性的主要因素是温度对电子器件造成的漂移、外界加于编码器的变形力以及光源特性的变化。由于受到温度和电源变化的影响，编码器的电子电路不能保持规定的输出特性，在设计和使用中都要给予充分考虑。（4）响应频率编码器输出的响应频率取决于光电检测器件、电子处理线路的响应速度。当编码器高速旋转时，如果其分辨率很高，那么编码器输出的信号频率将会很高。如果光电检测器件和电子线路元器件的工作速度与之不能相适应，就有可能使输出波形严重畸变，甚至产生丢失脉冲的现象。这样输出信号就不能准确反映轴的位置信息。所以，每一种编码器在其分辨率一定的情况下，它的最高转速也是一定的，即它的响应频率是受限制的。编码器的最大响应频率、分辨率和最高转速之间的关系如公式（4-6）所示。(4-6)其中，为最大响应频率、为最高转速、为分辨率。（5）信号输出形式在大多数情况下，直接从编码器的光电检测器件获取的信号电平较低，波形也不规则，还不能适应于控制、信号处理和远距离传输的要求。所以，在编码器内还必须将此信号放大、整形。经过处理的输出信号一般近似于正弦波或矩形波。由于矩形波输出信号容易进行数字处理，所以这种输出信号在定位控制中得到广泛的应用。采用正弦波输出信号时基本消除了定位停止时的振荡现象，并且容易通过电子内插方法，以较低的成本得到较高的分辨率。增量式光电编码器的信号输出形式有：集电极开路输出（OpenCollector）、电压输出（VoltageOutput）、线驱动输出（LineDriver）、互补型输出（ComplementalOutput）和推挽式输出（TotemPole）。集电极开路输出这种输出方式通过使用编码器输出侧的NPN晶体管，将晶体管的发射极引出端子连接至0V，断开集电极与+Vcc的端子并把集电极作为输出端。在编码器供电电压和信号接受装置的电压不一致的情况下，建议使用这种类型的输出电路。输出电路如图4.7所示。主要应用领域有电梯、纺织机械、注油机、自动化设备、切割机械、印刷机械、包装机械和针织机械等。\n西南交通大学本科毕业设计(论文)第88页图4.7集电极开路输出电路电压输出这种输出方式通过使用编码器输出侧的NPN晶体管，将晶体管的发射极引出端子连接至0V，集电极端子与+Vcc和负载电阻相连，并作为输出端。在编码器供电电压和信号接受装置的电压一致的情况下，建议使用这种类型的输出电路。输出电路如图4.8所示。主要应用领域有电梯、纺织机械、注油机、自动化设备、切割机械、印刷机械、包装机械和针织机械等。图4.8电压输出电路\n西南交通大学本科毕业设计(论文)第88页线驱动输出这种输出方式将线驱动专用IC芯片（26LS31）用于编码器输出电路，由于它具有高速响应和良好的抗噪声性能，使得线驱动输出适宜长距离传输。输出电路如图4.9所示。主要应用领域有伺服电机、机器人、数控加工机械等。图4.9线驱动输出电路互补型输出这种输出方式由上下两个分别为PNP型和NPN型的三极管组成，当其中一个三极管导通时，另外一个三极管则关断。这种输出形式具有高输入阻抗和低输出阻抗，因此在低阻抗情况下它也可以提供大范围的电源。由于输入、输出信号相位相同且频率范围宽，因此它适合长距离传输。输出电路如图4.10所示。主要应用于电梯领域或专用领域。\n西南交通大学本科毕业设计(论文)第88页图4.10互补型输出电路推挽式输出这种输出方式由上下两个NPN型的三极管组成，当其中一个三极管导通时，另外一个三极管则关断。电流通过输出侧的两个晶体管向两个方向流入，并始终输出电流。因此它阻抗低，而且不太受噪声和变形波的影响。输出电路如图4.11所示。主要应用领域有电梯、纺织机械、注油机、自动化设备、切割机械、印刷机械、包装机械和针织机械等。图4.11推挽式输出电路4.4.3编码器的选择本实验装置采用富士GYS201DC2-T2型号电机所配备的17位增量式光电编码器，保证了高稳定性。驱动器每接收2"=个脉冲电机转一圈，精度非常高。4.5控制电路接线图系统控制电路接线图见附录1。\n西南交通大学本科毕业设计(论文)第88页第5章运动控制实验装置软件设计运动控制实验装置采用的编程软件是松下PLC配套的FPWINGRVersion2.4版本，采用的编程语言是简单易懂的梯形图语言。本章首先对PLC编程语言和应用设计步骤做了简单的介绍。接着详细讲解了整个运动控制实验装置的编程过程。思路清晰、方法明确。5.1PLC的编程语言PLC不是采用微机的编程语言，而是采用梯形图语言、指令助记符语言、控制系统流程图语言、布尔代数语言等。其中，梯形图语言和指令助记符语言是世界第一编程语言。1．梯形图语言梯形图语言是在原继电接触器控制系统中的继电器控制原理逻辑图的基础上演变而来的一种图形语言，是目前世界上用得最多的叮赠编程语言。梯形图语言表示的是一个PLC控制程序，其间的连线表示的是它们之间的逻辑关系，即所谓“软接线”。梯形图语言沿用了继电器常开、常闭触点和线圈的符号。它们并非是物理实体，而是“软继电器”，每个“软继电器”仅对应PLC存储单元中的一位。该位状态为“1”时，对应的继电器线圈接通，其常开触点闭合、常闭触点断开；该位状态为“0”时，对应的继电器线圈不通，其常开、常闭触点保持原态。2．指令助记符语言指令助记符语言类似于计算机汇编语言，用一些简洁易记的文字符号表达PLC的各种指令。同—厂家的PLC产品，其助记符语言与梯形图语言相互对应，可互相转换。指令助记将语言常用于手持编程器中，梯形图语言则多用于计算机控制编程环境中。5.2PLC应用设计步骤\n西南交通大学本科毕业设计(论文)第88页PLC控制系统是以程序形式来体现其控制功能的，大量的工作时间将用在软件设计上，也就是程序设计上。程序设计对于初学者通常采用继电器系统设计方法中的逐步探索法，以步为核心，一步一步设计下去,一步一步修改调试，直到完成整个程序的设计。由于PLC内部继电器数量大，其接点在内存允许灼情况厂可重复使用，具有存储数量大、执行快等特点，对于初学者采用此法设计可缩短设计周期。PLC程序设计可遵循以下六步进行：①确定被控系统必须完成功动作及完成这些动作的顺序。②分配输入输出设备，即确定哪些外围设备是送信号到PLC，哪些外围设备是接收来自PLC信号的。并将PLC的输入、输出口与之对应进行分配。③设计PLC程序画出梯形图。梯形国体现了按照正确的顺序所要求的全部功能及其相互关系。④实现用计算机对PLC的梯形图直接编程。⑤对程序进行调试(模拟和现场)。⑥保存已完成的程序。显然，任建立—个PLC控制系统，必须首先把系统需要的输人、输出数量确定下来，然后按需要确定各种控制动作的顺序和各个控制装置彼此之间的相互关系。确定控制上的相互关系之后，就可进行编程的第2步一分配输人输出设备，在分配了PLC的输入输出点、内部辅助继电器，定时器、计数器之后．就可以设计PLC程序画出梯形图。梯形图画好后，使用编程软件直接把梯形图输入计算机并下载到PLC进行模拟调试、修改、下装直至符合控制要求。这便是程序设汁的整个过程。如图5.1所示为PLC应用系统设计和调试的主要步骤。图5.1PLC应用系统设计和调试步骤\n西南交通大学本科毕业设计(论文)第88页5.3运动控制系统的PLC程序设计本运动控制实验装置采用的编程软件是松下PLC配套的FPWINGRVersion2.4版本。采用的编程语言是简单易懂的梯形图语言。本运动控制实验装置主要包含点动控制部分、点位控制部分和平面演示三部分。当然还有必不可少的主程序块，负责着系统的启动、停止、复位等。需要说明的是，程序块部分由于使用组态控制，所以除了限位信号外，输入用的都是PLC的内部继电器。5.3.1主程序部分1控制要求当按下操作界面的开始按钮后，系统启动，首先自动复位至原点，完成加工初始化。当停止按钮按下后，无论系统处在什么状态都立刻停止，整个过程中，有指示灯对应闪烁。复位按钮按下后立即返回原点。2特殊控制指令介绍在复位过程中，电机运转需要PLC输出相应的脉冲，这里用到的指令是F171(SPDH)脉冲输出指令。F171指令参数设置见表5-1:表5-1F171指令参数设置地址编号设定内容S、S+1S+2、S+3S+4、S+5S+6、S+7S+8、S+9S+10、S+11控制代码起始速度（Hz）最大速度（Hz）加/减速时间（ms）目标值（脉冲数）K0表中控制代码说明如图5.2所示:\n西南交通大学本科毕业设计(论文)第88页图5.2F171(SPDH)指令控制代码说明当使用F171(SPDH)脉冲输出指令时，CH0和CH2为指定的脉冲输出口，参见表5-2：表5-2F171脉冲输出控制通道口输出输出方式CH0Y0CW（顺时针）PLSY1CCW（逆时针）SIGNCH2Y3CW（顺时针）PLSY4CCW（逆时针）SIGN3I/O分配主程序块包括系统的启动、停止、复位等。如表5-3为主程序块的I/O分配。表5-3主程序部分I/O分配表输入部分输出部分R0开始按钮Y0X轴正转脉冲R1开始闪烁灯Y1X轴反转脉冲\n西南交通大学本科毕业设计(论文)第88页R2停止按钮Y3Y轴正转脉冲R3停止闪烁灯Y4Y轴反转脉冲R4复位按钮R5复位闪烁灯X1X轴正限位X2X轴负限位X3Y轴正限位X4Y轴负限位4系统部分PLC控制程序（1）启动与停止系统部分PLC控制程序，即系统部分梯形图如图5-3所示。图5-3启动与停止操作部分梯形图当按下操作界面的开始按钮后，常开触点R0闭合R1线圈得电并自锁，开始闪烁灯闪烁，而且在整个运动过程中一直闪烁，只有停止按钮R2收到信号后，常闭触点R1断开，开始闪烁灯停止闪烁，而停止灯闪烁3秒后结束。（2）复位部分PLC控制程序，即系统部分梯形图如图5-4所示。\n西南交通大学本科毕业设计(论文)第88页图5-4复位操作部分梯形图复位按钮按下后，复位灯开始闪烁3秒后停止，线圈R26得电并自锁，R26与开始按钮并联，当任何一个闭合后，线圈R27都会得电自锁，而R27正是X轴脉冲输出的触点。从而控制电机运动。当X轴负限位有信号输入时，立刻停止脉冲输出，X轴方向定位结束。Y轴同理。定位结束后工作台示意图如图5-5所示。图5-5工作台示意图由于Z方向的刀具是固定在加工原点不变的，由图可以看出，当X轴电机正转带动工作台向左移动时，相当于刀具向右移动加工，即X轴正方向，Y轴同理。所以得出，加工面上正方向需要电机正转，负方向需要电机反转。（3）在本主程序中，使用F171(SPDH)脉冲输出指令的部分梯形图如图5.6所示：\n西南交通大学本科毕业设计(论文)第88页图5.6脉冲输出操作部分梯形图结合以上F171(SPDH)脉冲输出指令的介绍和梯形图，可以看出，控制代码是1121，表示占空比为25%，频率范围在48Hz—100KHz，I型原点返回模式，电机反转（即CCW逆时针方向）。初始速度为100Hz，最大速度为2000Hz，加/减速时间为150ms。5.3.2点动控制部分1控制要求当用户点击X+、X-、Y+和Y-中任意一个按钮时，电机控制加工刀具实现相应的运动，点击按钮运动，松开立即停止运动。不同操作过程中有对应的指示灯相应闪烁。2特殊控制指令介绍点动控制程序中用到了F172（PLSH）脉冲输出指令，F172指令参数设置见表5-4：表5-4F172指令参数设置地址编号设定内容S、S+1S+2、S+3控制代码频率表中控制代码说明如图5.7所示：\n西南交通大学本科毕业设计(论文)第88页图5.7F172（PLSH）指令控制代码说明脉冲输出控制同F171，见表5-2。3I/O分配本程序部分包括X、Y轴各正负方向的点动控制。如表5-5为点动子程序的I/O分配：表5-5点动子程序部分I/O分配表输入部分输出部分R6X轴点动增Y0X轴正转脉冲R7X轴点动增闪烁灯Y1X轴反转脉冲R8X轴点动减Y3Y轴正转脉冲R9X轴点动减闪烁灯Y4Y轴反转脉冲R10Y轴点动增R11Y轴点动增闪烁灯R12Y轴点动减R13Y轴点动减闪烁灯X1X轴正限位X2X轴负限位X3Y轴正限位X4Y轴负限位4PLC控制程序\n西南交通大学本科毕业设计(论文)第88页点动控制部分PLC控制程序，如图5.8所示。图5.8点动控制操作部分梯形图当点动增按钮R6按下后，点动增灯开始闪烁，3秒后停止。当按下时，R6闭合，从CH0通道发送脉冲，电机正转，工作台向正方向移动，松开时，R6断开，停止脉冲输出。在如图5.8所示的程序段中，控制代码是1100，表示占空比为25%，频率范围在48Hz—100KHz，输出方式为无计数型，电机正转（即CW顺时针方向）。5.3.3点位控制部分1控制要求当用户在X、Y轴坐标框里输入坐标后，点击确定，电机控制加工刀具在工作台上连续运动到指定的位置后自动停止。2特殊控制指令介绍点位控制程序中用到了F175（SPSH）线性插补指令，F175指令参数设置见表5-6:表5-6F175指令参数设置地址编号设定内容SS+2S+4控制代码合成速度初始速度Hz合成速度最大速度Hz\n西南交通大学本科毕业设计(论文)第88页S+6S+8S+10加/减速时间msX轴目标值CH0通道Y轴目标值CH2通道表中控制代码说明如图5.9所示：图5.9F175（SPSH）指令控制代码说明脉冲输出控制见表5-6。表5-6F175脉冲输出控制通道口输出输出方式CH0(对X轴)Y0CW（顺时针）脉冲Y1CCW（逆时针）方向CH2(对Y轴)Y3CW（顺时针）脉冲Y4CCW（逆时针）方向3I/O分配本程序部分包括X、Y轴各正负方向的点动控制。如表5-7为点动子程序的I/O分配：表5-7点动子程序部分I/O分配表输入部分输出部分R14确定按钮Y0X轴正转脉冲X1X轴正限位Y1X轴反转脉冲\n西南交通大学本科毕业设计(论文)第88页X2X轴负限位Y3Y轴正转脉冲X3Y轴正限位Y4Y轴反转脉冲X4Y轴负限位4PLC控制程序点位控制部分程序分为两个部分，一是根据坐标值计算脉冲，二是用直线插补命令输出。脉冲计算程序如图5.10所示，直线插补程序如图5.11所示。如图5.10中，当触点R30有信号输入后，先将数据寄存器DT26中的X坐标值转入DT28中，将常数存入通用寄存器WR0中，由于电机每接收个脉冲转一圈，丝杠导程为6mm，即工作台移动6mm。所以用DT28中数据乘以WR0中的数据再除以常数6就得到了X轴需要的脉冲数。Y轴的脉冲数同理计算可得。脉冲数都计算完成后延时0.5秒钟开始直线插补。\n西南交通大学本科毕业设计(论文)第88页图5.10脉冲计算部分程序图5.11直线插补部分程序在如图5.11所示的程序段中，控制代码是1000，表示占空比为25%，输出方式为增量型。直线插补的初始速度为500Hz，最大速度为5000Hz，加/减速时间为300ms。\n西南交通大学本科毕业设计(论文)第88页5.3.4平面演示部分一点亮希望1过程分析作为演示部分，结合现实生活，第一个演示的平面图形为蜡烛，希望给灾区人民点亮希望。整个设计过程分为CAD绘图、取坐标、计算脉冲、编制程序四步。CAD绘制的图形如图5.12所示。图5.12蜡烛平面图2特殊指令介绍在本块程序中，用到了直线插补和圆弧插补两个特殊指令，而直线插补指令F175（SPSH）在5.3小节已经介绍过了，下面就详细介绍圆弧插补指令F176（SPCH）。\n西南交通大学本科毕业设计(论文)第88页表5-8F176指令参数设置经过值设定方法中心位置设定方法地址编号设定内容S、S+1控制代码S+2、S+3合成速度S+4、S+5X轴目标值S+6、S+7Y轴目标值S+8、S+9X轴经过值S+10、S+11Y轴经过值地址编号设定内容S、S+1控制代码S+2、S+3合成速度S+4、S+5X轴目标位置S+6、S+7Y轴目标位置S+8、S+9X轴中心位置S+10、S+11Y轴中心位置表中控制代码说明如图5.13图5.13F176控制代码说明脉冲输出控制见表5-9。表5-9F176脉冲输出控制通道口输出输出方式对X轴Y0CW（顺时针）PLSY1CCW（逆时针）SIGN对Y轴Y3CW（顺时针）PLSY4CCW（逆时针）SIGN3取坐标，计算脉冲\n西南交通大学本科毕业设计(论文)第88页如图5.12所示我们将整个图形分为了10段单独的直线和圆弧，根据坐标值，计算出了每段的脉冲，见表5-10。表5-10蜡烛脉冲计算统计表编号插补方式目标值经过值X轴Y轴X轴Y轴1直线02直线03直线-04直线0-5直线6直线07圆弧8738108圆弧-21845--9圆弧43690--10圆弧-87381--04开始编程序我们利用PLC内部的WR寄存器。它是一个16位数据寄存器，每一位的状态都和一个R寄存器相对应。如图5.14所示，当我们将“1”从WR4的最低位移向最高位的过程中，寄存器R40到R4F将依次轮流变为ON状态。因此，可以利用对WR4移位操作，顺次改变寄存器R4X的状态，来触发每一个单段的插补运动，以实现整个曲线运动。图5.14对寄存器WR4的移位操作\n西南交通大学本科毕业设计(论文)第88页图5.15WR移位控制插补运动流程图通过这种移位操作触发的方法，大大缩短了开发周期。整个演示程序见附录2，这里就不再详细讲解了。用WR4移位操作来控制插补运动的流程图如图5.15所示。二奥运加油1过程分析2008年是奥运年，是中国人民值得骄傲的日子。平面演示部分的第二个图形选择奥运五环，希望奥运加油、中国加油！整个设计过程分为CAD绘图、取坐标、计算脉冲、编制程序四步。CAD绘制的图形如图5.16所示。\n西南交通大学本科毕业设计(论文)第88页图5.16奥运五环平面图2特殊指令介绍在本块程序中，用到了直线插补和圆弧插补两个特殊指令，直线插补指令F175（SPSH）可参看5.3小节，圆弧插补指令F176（SPCH）可参看5.4小节。3取坐标，计算脉冲如图5.16所示我们将整个图形分为了10段单独的直线和圆弧，根据坐标值，计算出了每段的脉冲，见表5-10。表5-11五环脉冲计算统计表编号插补方式目标值经过值X轴Y轴X轴Y轴1直线02圆弧0-03直线0\n西南交通大学本科毕业设计(论文)第88页4圆弧0-05直线6圆弧0-07直线-08圆弧0-09直线-010圆弧0-03开始编程序我们利用和点亮希望部分同样的方法，完成整个曲线的插补运动。程序见附录2，这里就不再详细讲解了。\n西南交通大学本科毕业设计(论文)第88页第6章运动控制系统操作界面设计MCGS是一套用于快速构造和生成计算机监控系统的组态软件，利用MCGS组态软件来设计基于PLC运动控制系统的人机界面，操作简单易懂，而且更加直观、形象，能够给实验者带来深刻的印象。本章首先对MCGS进行了简单的介绍，然后详细介绍了本运动控制系统操作界面的设计流程。6.1MCGS组态软件介绍1MCGS组态软件的系统构成（1）MCGS组态软件的整体结构MCGS软件系统包括组态环境和运行环境两个部分。组态环境相当于一套完整的工具软件，帮助用户设计和构造自己的应用系统。运行环境则按照组态环境中构造的组态工程，以用户指定的方式运行，并进行各种处理，完成用户组态设计的目标和功能。组态环境和运行环境的关系如图6.1所示。图6.1组态环境和运行环境的关系MCGS组态环境是生成用户应用系统的工作环境，由可执行程序McgsSet.exe支持，其存放于MCGS目录的Program子目录中。用户在MCGS组态环境中完成动画设计、设备连接、编写控制流程、编制工程打印报表等全部组态工作后，生成扩展名为.mcg的工程文件，又称为组态结果数据库，其与MCGS运行环境一起，构成了用户应用系统，统称为“工程”。\n西南交通大学本科毕业设计(论文)第88页MCGS运行环境是用户应用系统的运行环境，由可执行程序McgsRun.exe支持，其存放于MCGS目录的Program子目录中。在运行环境中完成对工程的控制工作。（2）MCGS组态软件五大组成部分MCGS组态软件所建立的工程由主控窗口、设备窗口、用户窗口、实时数据库和运行策略五部分构成，每一部分分别进行组态操作，完成不同的工作，具有不同的特性。如图6.2所示。主控窗口：是工程的主窗口或主框架。在主控窗口中可以放置一个设备窗口和多个用户窗口，负责调度和管理这些窗口的打开或关闭。主要的组态操作包括：定义工程的名称，编制工程菜单，设计封面图形，确定自动启动的窗口，设定动画刷新周期，指定数据库存盘文件名称及存盘时间等。设备窗口：是连接和驱动外部设备的工作环境。在本窗口内配置数据采集与控制输出设备，注册设备驱动程序，定义连接与驱动设备用的数据变量。用户窗口：本窗口主要用于设置工程中的人机交互界面，诸如：生成各种动画显示画面、报警输出、数据与曲线图表等。实时数据库：是工程各个部分的数据交换与处理中心，它将MCGS工程的各个部分连接成有机的整体。在本窗口内定义不同类型和名称的变量，作为数据采集、处理、输出控制、动画连接及设备驱动的对象。运行策略：本窗口主要完成工程运行流程的控制。包括编写控制程序（if…then脚本程序），选用各种功能构件，如：数据提取、定时器、配方操作、多媒体输出等。主控窗口设备窗口用户窗口实时数据库运行策略MCGS工控组态软件菜单设计设置工程属性设定存盘结构添加工程设备连接设备变量注册设备驱动创建动画显示设置报警窗口人机交互界面定义数据变量编写控制流程使用功能构件图6.2MCGS组态软件五大组成部分2MCGS组态软件的功能和特点与国内外同类产品相比，MCGS组态软件具有以下特点：\n西南交通大学本科毕业设计(论文)第88页全中文、可视化、面向窗口的组态开发界面，符合中国人的使用习惯和要求，真正的32位程序，可运行于MicrosoftWindows95/98/Me/NT/2000等多种操作系统。庞大的标准图形库、完备的绘图工具、22种不同形式的渐进色填充功能以及丰富的多媒体支持，使您能够快速地开发出集图像、声音、动画等于一体的丰富多样、精美的工程画面。MCGS组态软件不仅增添了在运行环境下支持图形的旋转功能，使您的工程更加生动、逼真，而且在组态环境下也可以对图形进行任意角度的旋转，使您轻松完成难度较大的图形组态工作。MCGS位图构件主要用于显示静态图像，位图构件不仅可以显示标准的Windows位图文件（即BMP文件），还增加了允许装载其它各种格式图片的功能；全新的ActiveX动画构件，包括存盘数据处理、条件曲线、计划曲线、相对曲线、通用棒图等，使您能够更方便、更灵活地处理、显示生产数据。通用性强，支持目前绝大多数硬件设备，每个用户根据工程实际情况，利用通用组态软件提供的底层设备（PLC、智能仪表、智能模块、板卡、变频器等）的I/ODriver、开放式的数据库和画面制作工具，就能完成一个具有动画效果、实时数据处理、历史数据和曲线并存、具有多媒体功能和网络功能的工程，不受行业限制。封装性好（易学易用），MCGS工控组态软件所能完成的功能都用一种方便用户使用的方法包装起来，对于用户，不需掌握太多的编程语言技术（甚至不需要编程技术），简单易学的类Basic脚本语言与丰富的MCGS策略构件，使您能够轻而易举地开发出复杂的流程控制系统。强大的数据处理功能，能够对工业现场产生的数据以各种方式进行统计处理，使您能够在第一时间获得有关现场情况的第一手数据。方便的报警设置、丰富的报警类型、报警存贮与应答、实时打印报警报表以及灵活的报警处理函数，使您能够方便、及时、准确地捕捉到任何报警信息。完善的安全机制，允许用户自由设定菜单、按钮及退出系统的操作权限。此外，MCGS还提供了工程密码、锁定软件狗、工程运行期限等功能，以保护组态开发者的成果。强大的网络功能，支持TCP/IP、Modem、485/422/232，以及各种无线网络和无线电台等多种网络体系结构。良好的可扩充性，可通过OPC、DDE、ODBC、ActiveX等机制，方便地扩展MCGS组态软件的功能，并与其他组态软件、MIS系统或自行开发的软件进行连接。延续性强，用MCGS组态软件开发的应用程序，当现场（包括硬件设备或系统结构）或用户需求发生改变时，不需作很多修改而方便地完成软件的更新和升级；采用PLC可编程逻辑控制器工业自动控制装置，它拥有体积小、功能强、程序设计简单、维护方便，所以它有更能适用恶劣工业环境的能力和它的高可靠。\n西南交通大学本科毕业设计(论文)第88页Touch系列触模屏作为一种新型的人机界面，是专门面向PLC应用的，功能强大，使用方便，而且应用非常广泛，日益成为现代工业必不可少的设备之一。提供了WWW浏览功能，能够方便地实现生产现场控制与企业管理的集成。在整个企业范围内，只使用IE浏览器就可以在任意一台计算机上方便地浏览与生产现场一致的动画画面，实时和历史的生产信息，包括历史趋势，生产报表等，并提供完善的用户权限控制。6.2用户操作界面设计6.2.1系统界面设计流程1、打开MCGS软件组态环境，选择用户窗口，在里面新建一个“点位和平面运动控制”窗口。如图6.3所示：图6.3新建用户窗口2双击打开，选取查看菜单中的绘图工具箱，选择标签、输入框、按钮、位图等，建立人机操作界面，如图6.4所示。\n西南交通大学本科毕业设计(论文)第88页图6.4建立人机操作界面3点击左上角工具条中的工作台按钮，调出工作台后，选择“实时数据库”，点击新增对象，双击新增的对象，会跳出基本属性设置对话框，在对话框中，输入对象名称、对象初值和对象类型，如图6.5所示。然后按照此方法为人机界面中所有的按钮、闪烁灯、输入框增加实时数据库。图6.5建立实时数据库\n西南交通大学本科毕业设计(论文)第88页4退出实时数据库，选择下拉菜单工具栏，选择“设备构建管理”，增加“通用串口父设备”和“松下FP系列PLC”两个设备，如图6.6所示图6.6增加通讯设备5打开工作台，选择设备窗口，双击“设备1—松下FP系列PLC”，在基本属性中，点击“内部属性”后的“设置设备内部属性”，增加需要的通道数，如图6.7所示。图6.7设置设备属性6增加完所有通道后，点击“通道连接”，设置通道所对应数据对象，如图6.8所示。\n西南交通大学本科毕业设计(论文)第88页图6.8设置通道连接7设置完检查无误后关闭，进入人机界面双击按钮，在“操作属性”中设置“数据对象值操作”，如图6.9所示。其他输入框、闪烁灯也同理设置。图6.9设置控件操作属性\n西南交通大学本科毕业设计(论文)第88页8到此所有的设置已经完成，点击右上角工具栏中的组态检查，无误后点击进入运行状态，确定硬件接线无误后就可以运行了。6.2.2系统操作界面最终效果运动控制系统操作界面的最终效果如图6.8所示。图6.8运动控制系统操作界面的最终效果\n西南交通大学本科毕业设计(论文)第88页结论可编程控制器是以微处理器为基础，综合了计算机技术、半导体集成技术、自动控制技术、数字技术和通讯网络技术发展起来的一种通用工业自动控制装置。它具有功能强，可靠性高，易于编程及适应工业环境下应用等一系列优点。近十年来，它在工业自动化，机电一体化，传统产业技术等方面的应用越来越广，成为现代工业控制的三大支柱之一。本文开发了基于PLC的运动控制实验装置系统，利用PLC内部的直线和圆弧插补指令完成了点动控制、点位连续控制和平面演示图形的控制。通过组态软件建立了简单易懂的人机操作界面，使得整个系统非常和谐。通过设计和分析可以看出，PLC和交流伺服系统相结合，再加上直观的组态软件作为监测，可以实现高精度、复杂运动的控制，可以说是堪称完美组合。当然我所开发的运动控制系统只是非常简单的运动控制的一小部分，如果时间允许可以从以下几方面完善该系统：1、首先原点设置应该在工作台的正中间，这样才能实现四个象限的运动，而不是只有第一个象限可以运动。2、现在很多PLC生产厂家都推出了自己的单独的位置控制和运动控制单元，所以该系统也可以采用PLC的专门的运动控制单元实现更复杂图型的控制，如二次曲线、三次曲线，正余旋函数曲线等等。3、可以在增加一个电机实现Z轴进刀和退刀的自动控制。4、可应用VisualBasic语言完成编程指令的代码转换，实现只要用户输入G指令就可以转换成PLC控制程序，控制机床运动。由于时间的紧迫，非常遗憾的是没有进行系统程序的集成调试，以及未能作出实物。当然，论文中本次完成的控制系统也由于自己能力的有限以及对于实践经验的缺乏，特别因为是对于PLC的第一次应用，可能存在着这样那样的不合理之处。但是通过本次的毕业设计，使我经历了一个完整的控制系统的设计创建过程，从原始资料的收集分析，到系统功能的分析设计，到控制器件控制方案的选择制定，进而到系统整体设计及各功能部分设计。通过整个设计过程，我学到了很多宝贵的专业知识，然而对我来说更大的收获是我学到了怎样去独立面对问题、思考问题、解决问题，怎样站在一个更高的角度去全面审视问题，怎样将课本以及所学的知识转化为实际的动手应用的能力。通过本次毕业设计，使得我不管是从认识上，知识上，还是从动手能力上，实践经验上都得到了一定的锻炼，都有了一定的提高。\n西南交通大学本科毕业设计(论文)第88页致谢本论文是在肖世德老师悉心指导下完成的。在课题完成过程中，导师严谨的治学态度、谦逊、务实的作风时刻感染着我。特别是在地震灾害非常时期，导师在学习、生活上不断的支持和鼓励，这才使我能够顺利的完成毕业设计。导师积极乐观的人生态度和做人准则将使我终身受益。在此谨向我的导师致以崇高的敬意和衷心的感谢。当然本次毕业设计还要感谢孟文老师、熊鹰老师，以及冯刘中、刘天豪、刘凯、唐小卫、高巍等同学对我无私的帮助，正是有了你们的帮助，才使我客服了毕业设计过程中一个又一个的困难，顺利的完成了毕业设计。最后衷心的感谢大学中关爱我、帮助过我的每一位人，以及在百忙之中评阅论文和参加答辩的各位老师、教授！谢谢你们！\n西南交通大学本科毕业设计(论文)第88页参考文献[1]鲁远栋.PLC机电控制系统应用设计技术.电子工业出版社.2006年4月.[2]白恩远，王俊元，孙爱国.现代数控机床伺服及检测技术.国防工业出版社.2003年10月[3]常斗南，李全利.可编程控制器原理及工程应用.电子工业出版社.2006年7月[4]常斗南.可编程控制器原理·应用·实验.机械工业出版社.2003年1月[5]汪小澄，袁立宏，张世荣.可编程序控制器运动控制技术.机械工业出版社.2006年1月[6]孟文.机械电子工程实验教程.西南交通大学出版社.2007年10月[7]求是科技.PLC应用开发技术与工程实践.人民邮电出版社.2004年12月[8]贾德胜.PLC应用开发实用子程序.人民邮电出版社.2006年1月[9]宋伯生，陈东旭.PLC应用及实验教程.机械工业出版社.2006年8月[10]付家才.PLC实验与实践.高等教育出版社.2005年第12期[11]曲博.基于PLC的平面运动控制系统开发：[硕士学位论文].沈阳：东北大学机械工程学院，2006[12]魏胜，王明友.三菱数控系统中交流伺服电机的选择.深圳职业技术学院学报.2007，1[13]赖指南.基于LPC的机加工控制系统的设计与实现：[工程硕士学位论文].长沙：湖南大学电气与信息工程学院，2004[14]武魁,花聚红,廉志强.PLC在磨床双轴控制系统中的应用.轴承.2003，4[15]朱奕丹，方怡冰.PLC在数控系统点位控制中的应用.控制系统.1999，8[16]黄辉先,文美纯.多自由度机械手PLC控制.机床与液压.2007，5[17]向伟民，周豫炜.PLC控制系统的抗干扰问题.港口装卸.2007，6[18]陈宏.可编程控制器(PLC)的选型.化工进展.2003，12　　[19]罗勇.卧式六轴双面专用组合铣床的PLC控制.机床与电气.1998，1[20]杨帆,侯哲生.一种基于PLC的单轴运动控制器.吉林化工学院学报.2001，18[21]王庭有.用PLC实现数控系统点位控制功能的方法.机床电器.1997，3[22]郑励用PLC完成对伺服轴的运动控制.微机应用与自动控制.2007，33\n西南交通大学本科毕业设计(论文)第88页附录附录1控制电路接线图\n西南交通大学本科毕业设计(论文)第88页附录2控制梯形图\n西南交通大学本科毕业设计(论文)第88页\n西南交通大学本科毕业设计(论文)第88页\n西南交通大学本科毕业设计(论文)第88页\n西南交通大学本科毕业设计(论文)第88页\n西南交通大学本科毕业设计(论文)第88页\n西南交通大学本科毕业设计(论文)第88页\n西南交通大学本科毕业设计(论文)第88页\n西南交通大学本科毕业设计(论文)第88页\n西南交通大学本科毕业设计(论文)第88页附录3毕业实习报告姓名：魏超班级：机械八班学号：实习名称：毕业认知实习实习时间：2008年5月7日至2008年5月9日实习地点：德阳市东方电气集团公司实习人员：04级机械电子工程、智能机电专业方向学生指导老师：孟文一、实习目的和任务我们本次毕业实习的目的地是德阳，德阳是四川的一个重工业生产基地，我们此次毕业认知实习要参观的正是德阳最有名的两大企业—东方电机厂和东方汽轮机厂。据老师介绍，我们专业是首次到这两个大型企业参观实习，希望将来能建立长久的实习伙伴关系。实习是大学期间必须经历的一个环节，它是对我们平时在课堂上所学习的书本知识的一个检测，应用，更是一个升华。希望通过本次实习，我们能够进一步加深对所学知识的认识，拓展我们的视野。并能够提高我们的实际动手能力，以及将理论与实践相结合，将理论运用于实践的能力。此次毕业实习更是我们踏上工作岗位之前的一个小小的体验。对我们将来工作会有一定的帮助。二、实习单位介绍中国东方电气集团公司（以下简称东方电气）总部位于四川成都，是以大型发电成套设备、电动机制造、电站工程承包、设备成套及技术研究、服务、电力自动控制设备、环保节能设备制造及国际贸易为主的特大型企业集团，使中国最大的发电设备制造和电站工程承包的特大型企业之一，是党中央确定的涉及国家安全和国民经济命脉的53户国有重点国有企业之一，是国务院国资委监管企业。\n西南交通大学本科毕业设计(论文)第88页到2006年底止，全集团共生产发电设备1.4亿千瓦，相当于全国装机总容量的四分之一；东方电气发电设备年产量在2006年达到2992.5万千瓦。东方电气目前资产总额达434亿元，员工2.7万。中国东方电气集团公司现有东方电机、东方锅炉、东方汽轮机、东方重机、中州汽轮机等六个重点生产制造企业和四川东方电力设备联合公司、工程分公司、东方日立电控设备有限公司、投资管理分公司和财务公司等专业公司。而位于德阳的东方电机和东方汽轮机正是东方电气集团下的子公司，它们给德阳、四川甚至全国的工业经济发展做出了不可估量的贡献。三、实习内容5月7日上午，在孟文老师的带领下，我们乘坐火车于上午11点左右来到了德阳。首次来到德阳，第一感觉是这个城市比较安静，有秩序，没有成都市那么繁杂、熙熙攘攘。其次是有着浓厚的工业气息，到处都是挂有机电装备、电机等的牌子。最为醒目的就是东方电气集团公司，不仅集团的名字大气好听，而且企业的规模是也很大，建筑物也是很雄伟和高大。走在市区的大街上，你可以清楚的看见厂房，看见工人师傅们正穿着工作服、带着安全帽忙碌的生产着。我想这场景在其他城市是看不到的。下午，首先我们在教室观看了一个东方电机的宣传短片，在对东方电机有了初步的了解后，由东方电机的一位交大校友给我们做了更为详细的介绍，同时也回答了同学们的一些实际问题。从中，我们了解到，东方电机厂总面积21000平方米，拥有世界上最大的22米数控立式机床，所生产的三峡70万瓦水轮发电机组是目前世界上最大的。全国有能力生产核能电机的只有哈尔滨、上海和东方电机厂三家。2007年总销售额高达100亿，纯收入超过26亿。东方电机厂有三个中国科学院院士做长期指导，科学生产，规范管理，创造了一个又一个的佳绩：1997年与日立公司联合设计、制造的600MW水氢氢型汽轮发电机在山东邹县电厂成功投运,并在2000年度全国火电大机组竞赛中,5号机和6号机分别获得600MW机组特等奖和一等奖。公司还制造完成广东岭澳核电站1000MW 等级的汽轮发电机分包项目。另外300MW汽轮发电机荣获国家优质产品金奖,被认定为中国名牌产品。当然，这位电机厂的校友也给我们留下了深刻的印象，尤其是他的一句话让我至今难忘，那就是“30岁之前跟对人，30岁之后做对事”，说的很有道理。我认为和“先学会做人，再学会做事”有异曲同工的效果。\n西南交通大学本科毕业设计(论文)第88页接着，我们在工人师傅的带领下，带上安全帽，依次参观了冲剪分厂、下料中心、成品分厂等。在冲剪分厂中，清楚的看到用激光切割机将超厚的钢板切割开，令人惊叹不已，不得不称赞科技的力量。而在下料中心中，更看到了火焰切割机、等离子切割机等。成品分厂中面对面的感受到了汽轮发电机的定子、转子、冷却器等，让我们对大型发电机设备有了一个更为感性的人是。下图为参观时一个大型的加工设备。晚上，我们又坐车辗转到东方汽轮机厂的主厂址—绵竹汉旺镇。为第二天参观东方汽轮机厂做好了准备。5月8日上午，和东方电机厂一样，首先在教室观看了介绍东方汽轮机厂的短片，接着由一位主任给我们做了更全面的介绍以及参观时要注意的事项。从中了解到，东方汽轮机厂建厂于1966年，总占地面积130万平方米，1975年生产了第一台7.5万KW的汽轮机，然而现在300MW的汽轮机已发展到了第八代，并且拥有生产100万KW火力、风力、核电等各种发电设备的能力。东汽的服务宗旨是绿色动力、造福人类。东方汽轮机厂依山而建，拾级而上。据负责的师傅介绍说有14个足球场那么大，真是名不虚传。我们首先参观了主机一分厂，里面有很多高精度的大型数控设备。接着参观了生产阀门、叶片装配的主机三分厂，完成叶片、定子、内缸加工的主机四分厂。总的感觉就是很大，很壮观。下图为参观时已完成加工的汽轮发电机的定子。\n西南交通大学本科毕业设计(论文)第88页5月9日上午，我们又坐火车从汉旺返回德阳，参观了位于德阳的东方汽轮机厂的主机二分厂，在厂房外面写着，东汽精神—求实人和、创新开拓八个大字，是为了让在厂职工永远谨记东汽精神，不断开拓进取，再创辉煌。主机二分厂的单机容量180万KW，除了叶片外，几乎可以加工所有的汽轮机部件，如转子、外缸、内缸等。还最新研制了零下40度低温仍可以使用的风力发电机。接着参观了180万KW的冷凝器、核电低压内缸等设备。到此为其三天的东方电器参观之行就结束了，我想每个人都不同内容的收获了很多。四、实习感想本次到东方电气的参观实习给我的最深的印象就是一个字—大，零件大，加工的设备大，厂房更大，真正的开阔了眼界。同时也深刻的认识到，只有将自己所学的知识运用到理论生产中去，才能创造出更多的价值，光谈理论，不谈生产的知识是死的，不切实际的。参观过程中，我们也看到了很多年轻的妇女奋斗在生产的第一线，不怕脏，不怕苦，勤勤恳恳的工作着。工人师傅们才是最辛苦的，一方面反映了我们中华民族的艰苦奋斗、吃苦耐劳的传统美德，另一方面也反映了现在就业压力之大。然而，我们国家正处在发展中阶段，速度缓慢，而且还要受到国际上的一些阻挠。作为新世纪的接班人，我们更应该努力学好文化知识，将来积极投身到祖国建设中去。