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1、毕业设计方案题 目 基于plc的伺服系统的控制与设计 学 院 专 业 班 级 学 生 学 号 指导教师 二一年四月二日学院 控制科学与工程学院 专业 自动化 学生 学号 设计题目 基于plc的伺服系统的控制与设计 一、选题背景与意义1、国内外研究现状、水平及存在的问题：通过plc控制伺服电机能够获得精准的定位。同时也有的通过步进电机来获取定位。步进电机是一种将电脉冲转化为角位移的执行机构。当步进驱动器接受一个脉冲信号，他就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度，他的旋转式以固定的角度一步一步运行的。可以通过控制脉冲个数来控制角位移量，从而达到准确定位的目的；同时可以通过控制脉冲频率来控制电
2、机转动的速度和加速度，从而达到调速的目的。步进电机可以作为一种控制用的特种电机，利用其没有积累误差的特点，广泛应用开环控制。但是，相比伺服电机的闭环控制，控制精度不够。伺服系统的发展经历了由液压到电气的过程, 电气伺服系统根据所驱动电机类型分为直流（DC）伺服系统和交流（AC）伺服系统。交流伺服系统按其采用的驱动电机类型又可分为永磁同步（SM型）电动机交流伺服系统和感应式异步（IM型）电动机交流伺服系统。由于直流伺服电动机存在机械结构复杂, 维修工作量大包括电刷、换向器等则成为直流伺服驱动技术发展的瓶颈。随着微处理技术、大功率电力电子技术的成熟和电机永磁材料的发展和成本降低, 交流伺服系统得到
3、长足发展并将逐步取代直流伺服系统随着电机理论、永磁材料、电力电子技术、控制理论和计算机技术的惊人发展,交流伺服系统的研究和应用,自20世纪70年代末以来,取得了举世瞩目的进展,已具备有宽调速范围、高稳速精度、快动态响应及四象限运行等良好的技术性能,其动、静态特性已完全可以与直流伺服系统相媲美。多年来,“交流取代直流伺服”这一愿望正逐渐变为现实,并不断有新的研究成果和新产品出现。近十年来,国内外日益完善的永磁交流伺服系统不断涌现,性能指标不断提高,应用范围不断大。纵观目前国内市场现状,国外知名品牌的永磁交流伺服系统仍占据了国内绝大多数中、高端应用领域,而国内成熟产品主要应用在中、低端设备领域中,
4、如简易数控机床、服装加工机械、包装机械等等,究其原因是国外知名品牌的产品具有较明显的技术优势。总之，伺服系统正朝着交流化、全数字化、采用新型电力电子半导体器件、高度集成化、智能化、模块化和网络化的方向发展。 2、选题的目的、意义：（1）采用PLC的伺服控制是运动控制的一种重要方式，特别是在精确定位控制中大量应用。本课题结合剪板机后靠系统的控制，对PLC及伺服系统进行深入学习。（2）通过本题进一步欧姆龙plc、三菱伺服系统、欧姆龙触摸屏以及plc与伺服系统接口设计的学习，加强理论知识在实践中的应用。二、设计内容1.设计内容的研究：（1）硬件设计Plc和伺服驱动器之间是信号通讯线，伺服驱动器和伺服
5、电机之间既有从伺服电机到伺服驱动器编码器反馈线，还有从伺服驱动器到伺服电机的动力线。 系统的方框图如下图所示：图1 系统方框图伺服驱动器与伺服电机的连接： 图2 伺服驱动与伺服电机的连线图伺服驱动器和伺服编码器的连接： 图3 伺服驱动与伺服编码的连线图伺服系统(servosystem)亦称随动系统，属于自动控制系统中的一种，它用来控制被控对象的转角(或位移)，使其能自动地、连续地、精确地复规输入指令的变化规律。它通常是具有负反馈的闭环控制系统，有的场合也可以用开环控制来实现其功能。在实际应用中一般以机械位置或角度作为控制对象的自动控制系统，例如数控机床等。使用在伺服系统中的驱动电机要求具有响应
6、速度快、定位准确、转动惯量较大等特点，这类专用的电机称为伺服电机。其基本工作原理和普通的交直流电机没有什么不同。该类电机的专用驱动单元称为伺服驱动单元，有时简称为伺服，一般其内部包括转矩（电流）、速度和/或位置闭环。其工作原理简单的说就是在开环控制的交直流电机的基础上将速度和位置信号通过旋转编码器、旋转变压器等反馈给驱动器做闭环负反馈的PID调节控制。再加上驱动器内部的电流闭环，通过这3个闭环调节，使电机的输出对设定值追随的准确性和时间响应特性都提高很多。伺服系统是个动态的随动系统，达到的稳态平衡也是动态的平衡。通过以上连接，加上简单的脉冲可以实现伺服电机的正反转以及转速的调节。（2）软件设计
7、 本设计是在基于plc控制的剪板机后靠系统伺服定位的研究与应用基础上对基于plc的伺服系统的控制与设计进行研究。 （3）通讯plc与伺服驱动器之间的通讯伺服驱动器的输入脉冲信号由plc程序决定，根据伺服电机旋转一圈对应的水平位移和编码器的分辨率确定脉冲量。利用plc脉冲列功能提供的周期与脉冲数目可以由用户控制的占空比伟50%的方波脉冲输出。利用plc脉冲宽度调制功能提供连续的、周期与脉冲宽度可以由用户控制的输出。每个CPU由两个PTO/PWM发生器，分别通过数字量输出点Q0.0和Q0.1输出高速脉冲列或脉冲宽度可调的波形。然后通过plc编程，来控制伺服电机的正反转，转速以及启停。plc与触摸屏
8、之间的通讯 图5 触摸屏的设计图2预期研究的结果：通过plc可以准确的控制伺服电机的转向、转速及启停。Plc-伺服控制的结构简单，功能强大，稳定性好，充分发挥了plc和伺服驱动单元各自的优势，即控制灵活、响应快速、定位精确等特点，满足速度和位置控制的要求，具有良好的应用前景。三、设计方案设计方案具体实施步骤如下：（1） 系统的流程图如下： N开始设置参数（剪板长度，数量）设置长度=当前值设置长度当前值调整伺服电机正转停止伺服电机调整伺服电机发转判断剪板计数是否为零计数减1前靠系统停止YYNNY 图6 系统的流程图（2） 方案比较 本系统采用欧姆龙plc和三菱伺服系统、以及欧姆龙触摸屏，主要因为
9、欧姆龙plc不能和西门子plc通讯。 方案一：采用欧姆龙plc和三菱伺服电机 方案二：采用欧姆龙plc和步进电机控制精度不同两相混合式步进电机步距角一般为3.6、1.8，五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。如四通公司生产的一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）生产的三相混合式步进电机其步距角可通过拨码开关设置为1.8、0.9、0.72、0.36、0.18、0.09、0.072、0.036，兼容了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。以松下全数字式交
10、流伺服电机为例，对于带标准2500线编码器的电机而言，由于驱动器内部采用了四倍频技术，其脉冲当量为360/10000=0.036。对于带17位编码器的电机而言，驱动器每接收217=131072个脉冲电机转一圈，即其脉冲当量为360/131072=9.89秒。是步距角为1.8的步进电机的脉冲当量的1/655。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
11、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，可涵盖机械的刚性不足，并且系统内部具有频率解析机能（FFT），可检测出机械的共振点，便于系统调整。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300600RPM。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。 四、参考文献1吴晨曦，蒋嵘基于plc-伺服驱动的位置控制系统设计B湖南工程学院机械工程系20082鹿庆，何文雪，程彬基于s7-200plc的横切
12、机伺服控制系统B。青岛大学自动化工程学院20093史建平，过军张建生基于plc控制的剪板机后靠系统伺服定位的研究与应用B常州工学院电子信息与电气工程学院20084黄声华，吴芳永磁交流伺服系统国内外发展概况A华中科技大学20065崔成吉，狄艳君基于plc的伺服驱动系统设计A科技论坛第八期20096苏礼，赵不贿基于伺服电机与plc自动控制的深孔钻设计A江苏大学20097张松军基于plc和交流伺服控制的卷烟切割系统B机械工程技术第38卷第7期20098郭国选，孙迎远plc在电液伺服系统中的应用A许昌学院学报2009五、指导教师评语陈普同学在毕业设计方案设计阶段学习态度端正，积极主动收资调研和分析国内
13、外资料，遵守纪律，认真出勤。能按进度完成老师布置的任务，回答老师质询情况良好，并针对伺服电机PLC控制系统进行论证，提出了设计方法和实验方案可行，可以达到预期效果。所选毕业设计的资料收集较充实、完整，能满足质量和数量的要求，对设计任务的内容理解较全面；设计方案合理可行，同时具有一定创新性，技术方案清楚，语言表达准确、图片规范；参考资料数量及质量满足要求，列写规范。经综合评价，同意该同学进入正式毕业设计工作阶段。指导教师（签字） 2010年4月5日六、审核意见系主任（签字） 2010年4月10日致 谢本论文是在导师教授悉心指导下完成的。衷心感谢导师三年来在工作、学习、生活等各个方面的悉心指导、亲切关怀和辛勤培育，才使我得以顺利完成学业。导师严谨的治学态度，忘我的工作精神，崇高的师德师风，永远都会激励着我。感谢教授给我的关怀和指导，以及所有老师和同学给我的支持和帮助。感谢教授在论文撰写、统计分析上给予我的指导和建议。最后向参加本次论文评审和答辩的各位老师、专家及教授致以诚挚的谢意。word
