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1、丽水职业技术分院机电信息分院毕业设计往复牵引器的伺服驱动设计学生学号：学生姓名：班级提交日期2010年 月 日导师姓名：叶宏伟专业名称机电一体化技术答辩日期2010年 月 日2010 年 月摘要本设计主要介绍的是伺服牵引系统的工作原理、硬件接线电路图和可编程控制器控制的 联系。而牵引系统具有优良的可控性、运行稳定和快速响应的特性。可控性是指无自转现象 运行稳定是指转速随着转矩的增加而均匀下降；快速响应是指交流伺服电动机接到信号时能 快速的启动，失去信号时自行制动并迅速停止转动。文中主要是利用三菱的伺服系统，在外 围设备尽量少的情况下，能实现牵引器往复运动，并可由可变成控制器控制，实现真正的机
2、电一体化。关键词：高精度、控制、可编程、控制器目录一、引 言 3二、方 案 设 计 321 设计的总体要求 322 设计思路 323 两种方案比较分析 4三、系 统 硬 件 设 计 431 电源部分 532 保护组织 533 控制部分 6331 伺服控制模式 634 执行部分 7341 伺服电机的工作原理 7342 计算机电功率 7343 机型选择 8四、软件设计 841PLC 原理 842 与 PLC 通信 943PLC 控制程序 1044 程序解释 1045 系统抗干扰 10五、安 装 和 维 护 1051 接线检查1152 外部环境1153 参数设定 1254 停止 1255 伺服维护
3、12六、总结评价 13致 谢 13参 考 文 献 14附件一 PLC 控制程序 15附录二接线图 17一、引 言随着科学技术的日新月异,自动化控制系统和计算装置的发展对物体位置控制技术带来 了新的变革，形成了控制微电机这一个重要的分支。在一般旋转电机的基础上，发展出多种 带有特殊功能的电机，他们具有检测、放大、执行和解算等功能。一般旋转电机着重于启动 和运转状态的力能指标。本设计介绍是以三菱伺服放大器和电机为主的往复牵引系统，在机械日益发展的机电一 体化今天，该系统有着以下有优点：（1）实现高速度、高精度。（2）紧凑灵活。（3）环境安全。（4）兼容功能。二、方 案 设 计21 设计的总体要求利
4、用三菱的伺服系统，在最大限度减少外围设备的情况下，能实现牵引器往复运动，并 可由可变成控制器控制，实现真正的机电一体化。22 设计思路在我们平常中可以看到是伺服电动机大体上的两种参与作用；采用凸轮和复位弹簧为核心的往复系统，简略图 2-1 所示。采用伺服驱动系统为核心的往复牵引系统，简略图 2-2 所示。图 2-2 伺服驱动往复图23 两种方案比较分析在平常的使用中凸轮系统和伺服牵引系统都能起到牵引往复的作用，而且凸轮系统在成 本方面占有很大的优势。但是，凸轮牵引系统在牵引时具有很大的振动情况，而且受力不均 匀导致牵引行程的不稳定，凸轮在长时间运行后会很容易磨损变形，如果修换凸轮的话整个 系统
5、都要重新调试。而伺服牵引系统就不会有这些情况，其运行平稳、响应时间短、留有巨 大的升级空间、往复行程定位精度高。而对于高精度的牵引行程凸轮显然达不到要求，所以 选择伺服牵引系统。三、系 统 硬 件 设 计20世纪80年代以来，随着集成电路、电力电子技术和交流可变速驱动技术的发展，永磁 交流伺服驱动技术有了突出的发展，各国著名电气厂商相继推出各自的交流伺服电动机和伺 服驱动器并不断完善和更新。交流伺服系统已成为当代高性能伺服系统的主要发展方向。90 年代以后，世界各国已经商品化了的交流伺服系统是采用全数字控制的正弦波电动机伺服驱 动。交流伺服驱动装置在传动领域的发展日新月异。虽然它们的款式一直在
6、发展，但是结构 基本上是不变的，下图是伺服放大器内控制回路和主回路。在控制箱的作用下，他们被安全 的分开整个系统分为四个部分：电源部分、保护组织，控制部分和执行部件。如图3-1所示。图3-1伺服放大器内控制和主回路图31 电源部分伺服放大器的主电路所需的是电压、频率为三相 AC200230V, 50/60Hz或者为单相 AC230V,50/60Hz的电源，这是最常用的电源。而伺服控制电路电源为单相 AC200230V, 50/60Hz。所以他们的电源是可以统一的，而单相的接线安装更为方便一点。32 保护组织无熔丝断路器（NFB）：在电路过流过载时都会断开电路，排除故障后可立即恢复，可做 开关用
7、。磁力接触器（MC）：接触器是一种自动化的控制电器。接触器主要用于频繁接通或分断 交、直流电路，具有控制容量大，可远距离操作，配合继电器可以实现定时操作，联锁控制， 各种定量控制和失压及欠压保护，广泛应用于自动控制电路。接地端子：防止触电，必须将伺服放大器的保护地（PE）端子与控制柜的保护地（PE） 相连接。即使使用了漏电保护器，也必须接地。接地的时候，必须是一根电线接一个端子， 不能多条接一个端子上。整个连接的效果如图3-2所示。 FQ2R1 Vi T1伺服放大器图3-2连接整体图33控制部分u、讥w伺服驱动器是用来控制伺服电机的一种控制器，其作用类似于 变频器作用 于普通 交流马达。伺服驱
8、动器均采用数字信号处 理器（DSP）作为控制核心，可以实现比较 复杂的控制算 法，事项数字化、网络化和智能化。功率 器件普遍采用以智能功率模块（IPM ）为核心设计的驱动电路，1PM内部集成了驱动电路，同时具有过电压、过电流、 过热、欠压等故障检 测保护电路 ,在主回路中 还加入软启动电 路,以减小启动过程对驱 动器 的冲击。 功率驱动单元首 先通过三相 全桥整流电路 对输入的三相 电或者市电进 行整流，得到相应的直流电。经过整流好的三相电或市电，再通过三相正弦PWM电 压型逆变器变 频来驱动三相永磁式同步交流伺 服电机。功率驱动单元的整个过程可以 简单的说就是AC-DC-AC的过程。整流单元
9、（AC-DC ）主要的拓扑电路是三相全桥不 控整流电路。331伺服控制模式三菱通用伺服是高性能、功能丰富的交流伺服，并形成了一个自己的系列。它的控制模式有三种：位置控制、速度控制和转矩控制。还可以选择位置/速度切换控 制，速度/转矩切换控制和转矩/位置切换控制。不但应用于高精度定位和平滑的速度控制， 还可以用于线控制和张力控制等。此外伺服驱动器上还配有USB和RS-422串行通信功能，可以和装有伺服设置软件的个 人计算机通信，进行参数的设定、试运行、状态显示的监控和增益调整等。位置控制模式可以使用最大1 Mpps的高速脉冲串对电机的转动速度和方向进行控制，执行分辨率为262144脉冲/转的高精
10、度定位。另外还提供了位置平滑功能，当位置指令脉冲急剧变化时， 可以实现更平稳的启动和停止。 速度控制模式通过外部模拟速度指令（DC 010V）或参数设置的内部速度指令（最大7速），可对伺 服电机的速度和方向进行高精度的平稳控制。另外，还具有用于速度指令的加减速时间常数 设定功能、停止时的伺服锁定功能和用于外部模拟量速度指令的偏置自动调整功能。 转矩控制模式通过外部模拟量转矩输入指令（DC0土 8V）或参数设置的内部转矩指令可以控制伺服 电机的输出转矩。具有速度限制功能（外部或内部设定），可以防止无负载时电机速度过高， 本功能可用于张力控制等场合。根据已经已知和牵引行程的精度要求，我们决定采用位
11、置控制模式。34 执行部分341伺服电机的工作原理伺服电动机又称执行电动机，在自动控制系统中，用作执行元件，把所收到的电信号转 换成电动机轴上的角位移或角速度输出。伺服电机内部的转子是永磁铁，驱动器控制的U/V/W三相电形成电磁场，转子在此磁场 的作用下转动，同时电机自带的编码器（分辨率为 262144 脉冲/转的绝对位置编码器）反馈 信号给驱动器，驱动器根据反馈值与目标值进行比较，调整转子转动的角度。交流伺服电动机同直流伺服电动机比较有以下优势：无电刷和换向器，因此工作可靠， 对维护和保养要求低；定子绕组散热比较方便；惯量小，易于提高系统的快速性；适应于高 速大力矩工作状态；同功率下有较小的
12、体积和重量。342计算机电功率电机的选择有多方面决定的，本次设计只涉及其中的小部分。输出功率 P2P2=（T X n）/9549 KW其中：T-转矩NXmn-实际转速r/min已知转矩 0.64NXm n 为 2940r/min所以P2= （ 0.64X2940）/9549 KW 得到P2=0.197KW电机转动圈数N牵引行程为250mm，同步轮直径60mm公差正负0.021mmN=250/2X3.1415X30得到 N=1.2201 圈转换成角度为439.24度，一圈过后的角度为79.24度。343机型选择根据输出功率、转矩和转速选择伺服电机为三菱HF-MP23 （B）、伺服放大器为MR-J
13、3-20（A）。现在列出它的主要数据功率KW0.5连续运行特性额定输出W200额定转矩N*m0.64最大转矩N*m1.9取大转速r /min6000额定转速r /min3000允许瞬间转速r/min6900连续额定转矩时的功率变化率KW/s46.1额定电流A1.6最大电流A5.0再生制动频率（次数/分钟）1570惯量J (X0.0001Kgm2)标准0.088带电磁制动0.12速度/位置检测器分辨率：262144p/rew绝缘等级B级结构全封闭、自冷却（防护等级IP65）环境周围温度使用040度，保存-1570度，不结冰周围湿度使用80%RH以下，保存90%RH以下，不凝结环境条件避免阳光直射
14、，远离腐蚀、可燃气体、灰尘等海拔海拔1000M以下重量（Kg）标准0.94带电磁制动1.6注：列出机型有利于安装调试和维护41PLC原理PLC 即可编程控制器， 其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。”CPU是PLC的核心，起神经中枢的作用，它按PLC的系统程序赋予的功能接收并存贮用 户程序和数据，用扫
15、描的方式采集由现场输入装置送来的状态或数据，并存入规定的寄存器 中，同时，诊断电源和PLC内部电路的工作状态和编程过程中的语法错误等。进入运行后， 从用户程序存贮器中逐条读取指令，经分析后再按指令规定的任务产生相应的控制信号，去 指挥有关的控制电路。CPU主要由运算器、控制器、寄存器及实现它们之间联系的数据、控 制及状态总线构成，CPU单元还包括外围芯片、总线接口及有关电路。内存主要用于存储程 序及数据，是PLC不可缺少的组成单元。在使用者看来，不必要详细分析CPU的内部电路， 但对各部分的工作机制还是应有足够的理解。CPU的控制器控制CPU工作，由它读取指令、 解释指令及执行指令。但工作节奏由震荡信号控制。运算器用于进行数字或逻辑运算，在控 制器指挥下工作。寄存器参与运算，并存储运算的中间结果，它也是在控
