伺服电机单点定位控制教学设计.docx

伺服电机单点定位控制教学设计（全面版）资料
任务五 伺服电机单点定位控制教学设计

课程名称
电力系统电气控制与PLC应用
学习主题
伺服电机单点定位控制
授课专业
电力系统自动化专业
主讲教师
赵慧娴
学
情
分
析
通过三项异步电动机的调速控制工作任务，学生已经掌握了编制电机控制梯形图的逻辑规律，在掌握伺服电机的位置控制时会容易很多。

教
学
目
标
（一） 知识目标
1. 了解伺服电机的工作原理。
2. 理解伺服电机位置控制系统的控制原理。
3. 理解S7-300中CTU指令各参数的含义。
（二） 技能训练目标
1. 掌握伺服电动机位置控制系统接线方法。
2. 掌握S7-300PLC、分布式I/O、伺服电机的硬件组态方法。
4. 掌握伺服电动机位置控制系统的程序编写方法。
5. 熟练掌握博途软件的使用方法。
(三) 素质目标
1、培养学生的自主学习能力；
2、培养学生的沟通与表达能力；

教学过程

精讲案例
在PLC程序中设置伺服电机的转动角度，PLC程序通过设置的角度发出相应数量的脉冲，继而通过启动按钮、停止按钮和方向控制按钮来对伺服电机进行位置控制 。

内
容
分
析

本任务是 “高精度运动控制与监视”中的第五个任务。该任务的主要内容是对伺服电机进行位置控制。伺服电机的控制原理与三相异步电动机不同，是通向伺服电机发出相应数量的脉冲来控制伺服电机的旋转角度的，所以对伺服电机进行位置控制的关键就在于根据设定角度计算所需脉冲个数并且发出相应个数的脉冲。
在编制伺服电机位置控制的程序时就将梯形图分为两个模块，脉冲发生模块和脉冲计算模块。在编制脉冲发生模块的程序时，关键点在于利用取反指令在两个中间继电器之间进行得电与失电状态的切换从而产生脉冲信号。在编制按照设定角度计算所需脉冲个数程序时，脉冲个数是依据伺服驱动器设定的参数“伺服电机旋转360度，脉冲的分辨率为1000”来进行计算的。如果参数改变,计算结果也会发生变化。
在对伺服电机进行反转控制时，需要注意的是反转控制信号和脉冲控制信号同时接通才能达到反转控制的目的，而不单单是仅发送反转控制信号就可以反向转动的。
本次任务的内容主要包括两部分，分为“伺服电机位置控制系统的硬件组态”、“伺服电机位置控制的程序编制”两大部分，其中“位置控制的程序编制”为难点。
策略选择
课前学习，课堂互动
教学资源
资源名称
资源形式
来源
1
西门子S7-300PLC基础与应用
教材
选用
2
运动控制技术
教材
选用
4
授课视频
视频
自制

XXX
伺服系统简介
MINAS

Servo Servant Sleeve
1. 2.
3.
DC 伺服
伺服马达
马达AC 伺服
伺服马达
马达
1、线圈会旋转
2、定子为永久磁铁
3、有碳刷及整流子1、定子为线圈
2、转子为永久磁铁
3、无碳刷及整流子
DC AC
DC伺服马达
1、须定期保养
2、驱动器设计较为容易
3、使用寿命较短
4、噪音较大
5、响应较差
6、启动转矩为额定扭矩AC伺服马达
1、不须定期保养
2、驱动器设计较为复杂
3、使用寿命长
4、噪音小
5、响应快
6、启动转矩为三倍额定扭矩
IM
/
A B
LOOP 1 LOOP
LOOP
2 LOOP
LOOP LOOP
3 LOOP
LOOP
※依据不同的控制系依据不同的控制系统统之需求之需求,,在驱动
器中有三种控制模式可供器中有三种控制模式可供选择选择
速度控制
位置控制
扭矩控制
0 ±10V CCW 0
扭矩控制
依据输入电压的大小、达到控制马达输出扭力的目的。
10V 5Nm 5V
2.5Nm: 2.5Nm
2.5Nm 2.5Nm
速度控制
0 ±10V CCW
依据输入电压的大小、达到
控制马达输出转速的目的。
位置控制
依据输入的脉波数目、达到
控制马达定位的目的。
CCW/CW
脉冲列A/B 相位脉冲列Pulse +Dir

度尺情度尺情
◎开 回路控制(OPEN LOOP
由控制器输出指令讯号,用来驱动马达依指令值位移并且停止在所指定的位置。
控制装置驱动器
传动机构
马达
必尺情必尺情
◎半闭 回路控制(SEMI-CLOSE LOOP
将位置或速度检出器,装置于马达轴上以取得位置回授信号及速度回授信号。
控制装置驱动器
传动机构
马达
位置检出器
情尺情情尺情 ◎全闭 回路控制(FULL-CLOSE LOOP 利用光学尺等位置检出器,直接将物体的位移量随时的回
授到控制系统。
控制装置驱动器传动机构马达
位置检出器(光学尺
回授信号
RS232
CNC
I/O

功率功率到到5kW 30W to 5.0kW 2000/30000.5~5.0MHMA MHMD MFMA MGMA MDMA MSMA MQMA MSMD MAMA 3000/50000.2~0.75 2000/30000.4~4.51000/20000.9~4.52000/30000.75~5.0
3000/50001.0~5.03000/50000.1~0.43000/50000.05~0.75
5000/60000.1~0.75
/ rpm kw
A4
1.50W 5KW
2.
3.
4. 1KHz
5.
6. 2500p/r
17 217
17 217
E
1.50W 400W
2. :
3.
4. 400Hz
5.
6. 2500p/r
7. 1/4
S
1.30W 750W
2. :
3.
4. 400Hz
5. 2500p/r
A4

A4

伺服驱动器

伺服马达

, ?
1.
2. ,
3.
4.
:
5. , , ( , ,
6. , , .
7.
8.
1 3
1
2
3
4
5 1 W 2 rpm 3 N •m 4 kg • 5 6
如何如何选选定伺服定伺服马达马达马达((2∕3 减速机构的影响
1、转速:NM = Nt ×R
2、扭力:TL = T ℓ×(1÷R
3、惯量(GD²:GD²L = GD²L ×(1÷R ²
如何如何选选定伺服定伺服马达马达马达((3∕3 1
2 3 5 3 4 85
5
PE=2500(p/rev
PB=20mm R=1 (Resolution =(PB (1/R/(PE 4
=0.002(mm
< ±0.05(mm
---
3~10 (
/ / 5000RPM 1~2 / 3000RPM 3000RPM
/
3~10 (
/ /
5000RPM
1~2 / 2000RPM
1000RPM
20Nm
CVI
CT
FA

MSMA400W 1
MHMA1.0KW 1
3
7
1
1

X軸MDMA2.5kW 1台
Y軸MGMA4.5kW 1台

T軸MDMA1.5kW 2台
C軸MSMA400W 1台

M HM A 3.0K W X軸
M HM A 3.0K W Y軸
M HM A 4.0K W Z軸
M HM A 1.5K W C軸
MSMA 400Wα軸

Servo Motor Gearhead Sizing Gearheads offer the following advantages to a servo application:
• The ability to operate the motor over its optimum speed range
• Minimize motor size by multiplying torque
• Minimize reflected inertia for maximum acceleration
• Provide maximum torsional stiffness
The following relationships apply:
Output Speed = Input Speed
Gear Ratio
Where: Gear Ratio = Gear input turns/ Gear output turns
Output Torque = Input Torque x Gear Ratio (Gearbox Efficiency
Where: Gearbox Efficiency = % of Effciency/100
J L (reflected = J
Gear Ratio
L + JGEARBOX
Where: JL = Load Inertia
J L (reflected = Reflected Load Inertia

J GEARBOX = Gearbox Inertia
An efficiency term should be applied in the denominator when making
acceleration calculations to account for the additional input torque required to overcome gearbox losses.
Optimum Gear Ratio (N = J +J
J
L GEARBOX
M
Where: JM = Motor Inertia
There are two basic approaches to sizing gearmotors for servo applications. The simplest approach can be used if the load is basically constant and acceleration or deceleration rates are not a consideration. In this case, Danaher Motion’s GOLD LINE gearhead selection matrix provides performance data for available motor/gearhead combinations. In this example, it is still necessary to calculate the reflected inertia of the load for amplifier compensation purposes. It is desirable to keep the reflected inertia ≥ 5 x JM for any motor drive system. This may affect the selection of the motor series. The low inertia B series or the medium inertia M series can be used.
Generally with servo applications, the required peak and continuous motor torque ratings are determined by an analysis of the desired motion profiles and duty cycle by the following procedure.
1. Begin the selection process by choosing the largest ratio available to meet the necessary load speed. Gearhead input speeds are generally limited to 5000 rpm unless otherwise limited by the motor winding selection. Available ratios for GOLD LINE motors are shown on the selection matrix. In addition, it is desirable to keep the reflected inertia under 5 x the motor inertia. (The optimum gear ratio will yield a reflected inertia equal to the motor inertia. With gearbox input speeds limited to 5000 rpm, this is not always possible.
2. Initially, calculate acceleration torques, neglecting motor and gearhead inertia, along with thrust or friction torques. Determine the RMS torque. (See Application Notes V002 and M002 for details on acceleration and intermittent motor/amplifier selection can be made.
3. Calculate the ratio of load to motor inertia (n first based on the use of a B series (low inertia model. Include the gearbox inertia with the load inertia.
n = J (reflected + J J L gearbox
M
Should (n be greater than 5, recalculate (n based on an M series (medium inertia model.

Should (n still be greater than 5, and the maximum possible gear ratio has
been chosen, consult an applications engineer for information concerning
special amplifier compensation and system performance. 4. Recalculate acceleration and RMS torques (No. 2.of procedure based on the system selected. Include now the motor and gearhead inertia as part of the total system inertia. Based on the actual acceleration and RMS torque values determined, compare with the motor’s torque ratings. A recalculation is often necessary using a motor with a higher torque rating.
5. For planetary gearboxes, confirm gearbox sizing based on the peak and equivalent torque loading on the gearbox. Although gearboxes are typically chosen for a specific motor to meet typical applications, occasionally it is necessary to oversize the gearbox. This is because the equivalent torque rating for a gearbox can significantly exceed the RMS torque rating.
The equivalent torque rating is calculated by the following formula.
T EQ = T t + T n t + T n t (t + t + tn 11222n n n
12n m 87878781. n . . .
Where: TEQ =
Equivalent torque T 1.T 2’T n
Times 1-n n 1, n2, nn = Average speeds for periods 1-n

The average speed is the average of the starting speed and ending speed for a given period
n m = Mean input speed for the period is defined by the following: n m =
n t +n t +n t t + t + t 1122n n 12n A cycling factor is now applied to the equivalent torque (TEQ per the following: T EQM = T Q EQ

任务六 伺服电机多点定位控制系统教学设计

课程名称
电力系统电气控制与PLC应用
学习主题
伺服电机多点定位控制
授课专业
电力系统自动化技术
主讲教师
赵慧娴
学
情
分
析

伺服电机的多点定位控制是在单点定位的基础上增加上位机控制，上位机的可视化编程方法与触摸屏类似，所以这一任务的难度不大。

教
学
目
标
（二） 知识目标
1. 理解伺服电机多点定位的工作原理。
2. 明白上位机的作用。
（二） 技能训练目标
1.掌握上位机与PLC的组态方法。
2.掌握上位机的可视化编程方法。
3.掌握WINCC组态软件的使用方法。
(三) 素质目标
1、培养学生的自主学习能力；
2、培养学生的沟通与表达能力；
1.培养学生的综合技术应用能力；
2.培养学生解决实际问题的能力。

知识体系

精讲案例
在上位机中设置伺服电机的转动角度，伺服电机按要求旋转。在上位机中改变设置角度，伺服电机的旋转角度随之改变。同时伺服电机的实际旋转角度可以通过上位机得以显示。

内
容
分
析

本任务是 “高精度运动控制与监视”中的第六个任务。该任务的主要内容是对伺服电机进行多点定位控制。本次任务是通过在伺服电机的位置控制系统中添加上位机并对上位机进行可视化编程来实现的。伺服电机的多点定位程序与之前的位置控制并没有太大的区别，所以本次课的主要内容是教授学生上位机的组态方法与可视化编程的方法。上位机在与PLC进行组态时要添加三个硬件,分别是：常规PC、通信模块、以太网接口，这三个硬件在硬件目录中的位置是需要牢记的。上位机的可视化编程方法与触摸屏相似，所以学生可以对比触摸屏的可视化编程方法在上位机的程序中制作用以设定转动角度和显示实际角度的I/O域和各种控制按钮。与触摸屏不同的是上位机在启动运行界面时只需要点击“在PC上启动运行系统按钮”就可以而不需要下载程序。
本项任务的内容主要包括两大部分，分为“上位机的组态方法”和 “上位机的可视化编程方法”两大部分。其中这两项均为本项目的重点。
策略选择
课前学习，课堂互动
教学资源
资源名称
资源形式
来源
1
西门子S7-300PLC基础与应用
教材
选用
2
运动控制技术
教材
选用
3
授课视频
视频
自制

伺服电机转速的PLC控制
发布日期：2021-5-20 14:41:10  
  所属频道:   自动化    关键词:  PLC  模拟量  伺服系统
[摘 要] 利用西门子PLC输出的模拟量、伺服控制器完成了对伺服电机转速精准的控制。提高了系统控制的可靠性和精确度。满足了工业现场的需要。
[关键词]伺服系统；PLC；模拟量 

1.引言
伺服电机在自动控制系统中用作执行元件，它将接收到的控制信号转换为轴的角位移或角速度输出。通常的控制方式有三种：
①通讯方式，利用RS232或RS485方式与上位机进行通讯，实现控制；
②模拟量控制方式，利用模拟量的大小和极性来控制电机的转速和方向；
③差分信号控制方式，利用差分信号的频率来控制电机速度。
简单、方便的实现对伺服电机转速的精确控制是工业控制领域内的一个期望目标，本文主要研究如何利用PLC输出的模拟量实现对伺服电机的速度较为精准的控制。
2.控制系统电路
控制装置选用西门子S7-200系列PLC CPU224XPCN，这种型号的PLC除了带有输入输出点外。还有1个模拟量输入点和1个模拟量输出点，这一型号PLC所具有的模拟量模块，能够满足控制伺服电机的需要。触摸屏选用西门子触摸屏，型号为TP177B。
具体控制方案如图l所示，触摸屏是人机对话接口，最初的指令信息要从这里输入。输入的信息通过通讯端口传送到PLC。经运算后，PLC输出模拟量，并连接到伺服控制器的模拟量输入端口。伺服控制器对接收到的模拟量进行内部运算，而后驱动伺服电机达到相应的转速。伺服电机通过测速元件将转速信息反馈到伺服控制器，形成闭环系统，实现转速稳定的效果。

图1   控制方案

方案中的伺服电机，设计工作转速范围为500～6000RPM，精度要求为±3RPM。
3.控制过程
在触摸屏中设置一个对话框，可输入4位数值，然后将此对话框中的数据属性设置成对应PLC中的整形变量数据(如VW310)。目的是当在对话框中输人数值后，电机就能够达到与该数值相同的速度。
PLC输出的模拟量是0～10V，对应的整形数据是0～32000；而伺服电机的输入模拟量是0～l0V。对应的转速是0-6500 RPM。由于这些数值都是理论上的，并且最终希望得到的还是输入值对应上转速即可。因此，模拟量作为中间环节仅做参考。需要重点考虑的还是输入值、整形数据和实际转速。经过直接实测，测试数据如表1所示。
表1　直接实测数值表
输入值
整形数值
实际转速
500
500
70
2000
2000
360
4000
4000
750
6000
6000
1145
由表1可看出，输入值和实际转速相差甚远，而唯一的办法是通过运算将输入值转换成能对应上实际转速的整形数值。但是还要首先找到最高转速和最低转速对应的数值。通过实验发现，对应关系如表2所示
表2   实测对应数值表
整形数值
实际转速
2711
500
30854
6000

PLC的模拟量输出和伺服电机转速输出都是线性的，可以根据表2的数据列出直线方程组，计算出输入值和整形数值之间的关系。
2711＝500×a+b
30854＝600×a+b
解得：a=5117；b=152
　　设实际转速为x，整形数值为y；那么关系方程为：
y=5117×x+152
通过PLC。实现则需妻用到数字运算指令，具体如图2所示
图2数字运算指令实现对应关系
运算后，将数据直接传送到模拟量输出口就完成了转换工作(由于输出口不接受双字数据；所以仅传字数据，VB2232即可)。如图3所示
图3模拟量输出口传送指令
这样．就基本上完成了从对话框输入速度值，经过PLC运算后输出模拟量。伺服控制器接收到模拟量驱动伺服电机，伺服电机的转速等于输入速度值的过程。通过经过实际检验，测得输入值、整形数值、实际转速如表3。
表3　运算后的实测数值表
输入值
运算后数值
实际转速
500
2711
500
1000
5269
999
2000
10386
1998
3000
15503
3000
4000
20620
4002
5000
25737
5001
6000
30854
6000

4.结束语
本文提出了一种利用西门子200系列PLC所配备的模拟量输出模块，控制伺服电机的方法，方法简单，易于实现，且能够满足转速精度为±3 RPM的工作要