1、伺服电机随动控制系统设计实验报告黄仁志 16012119 同组人员：刘宇航一. 实验要求利用实验室小型编程控制器 PLC 设计一个随动系统。在一旋转圆盘上放一枚硬币，控制 XY 轴伺服电机使其相连接的传感器探头跟随硬币做圆周运动。旋转圆盘有三相电机驱动，三相电机的驱动由实验室变频器完成。另外，XY 轴伺服电机的伺服放大器可以由 PLC 运动模块控制。其中转速等数据的控制通过触摸屏实现。二. 实验目的1.掌握 PLC 的基本编程，熟悉其编程思想2.了解变频器的使用3.了解 FX3U-20SSC-H 运动模块的基本功能5.了解触摸屏的使用4.理解伺服系统的结构组成和设计方法。三. 实验原理本实验主
2、要利用实验箱中的 FX3U-64MR/ES-A 基本单元，2 个 MR-J4-10B 伺服放大器，一个 FX3U-20SSC-H 运动控制模块，FR-E720S-0.4K-CHT 变频器。FX3U-64MR/ES-A 基本单元完成对硬币信号的检测，控制变频器输出电压的频率，控制运动控制模块的控制参数等。运动控制模块主要负责控制两个伺服放大器，变频器的输出电压去控制圆盘的转速。通过硬币信号的检测实时改变运动模块中圆周运动的半径和速度，最终实现传感器探头对硬币的随动。四. 实验器材1.FX3U-64MR/ES-A 基本单元2.FX3U-20SSC-H 运动模块3.MR-J4-10B 伺服放大器4.
3、HG-KR13J 伺服电机5.FR-E720S-0.4K-CHT 变频器6.GS2107-WTBD 触摸屏。五. 实验设计方案1. 触摸屏设计GT Designer3 是触摸屏的画面设计软件，可进行工程和画面创建、图形绘制、对象配置和设置、公共设置以及数据传输等，并且集成有 GT Simulator3 仿真软件，具有仿真模拟功能。本实验为了直观显示和操作，设计了一个人机界面，将对变频器的操作以按钮的形式展现给操作者。结合变频器的操作，触摸屏主要实现以下几个功能：1.正转 2.反转 3.高速，中速，低速的选择 4 复位 5 输出停止。2. 接近开关的使用原点信号处面板，BN、BK、BU 是接近开
4、关的端子。接近开关即对接近它物件有“感知”能力的元件，若磁体物体接近它，则其输出接通。装置内采用的是三线 NPN 型的，将 BN和 BU 端子与 PLC24V、0V 相连，BK 端子引入 PLC 的输入端，则当圆盘上金属物件靠近接近开关（大约 2mm 范围内） ，则 BK 端子输出低电平，则 PLC 即可知道此时的位置。3. 变频器本实验采用功能强大的三菱通用变频器 FR-E700。该变频器为用户控制运行提供两种解决方案：1.从控制面板实施启动停止操作（PU 运行） 2.从端子实施启动、停止操作（外部运行） 。实验初期我们利用其控制面板进行控制了解其性能以及参数的的影响，经过一系列的接触和积累
5、之后，我们选择外部运行模式。这两种控制模式的切换是通过 Pr.79参数的设置来完成的。结合本实验要求，我只需要改变圆盘的转速来演示随动性能，对于变频器的频率变化要求不高。综合考虑，我们最后选择外部运行方式中的“通过开关发出启动指令、频率指令（3 速设定） ”。其中 3 速设定的频率具体值由 Pr.4Pr.6 确定。4. 运动模块FX3U-20SSC-H 运动模块是适用于 SSCNET的专用功能模块。20SSC-H 能够通过支持SSCNET的伺服放大器完成定位控制。1.支持两轴控制 1 个 20SSC-H 模块能够控制两轴，能够完成单速定位和单速中断定位，也能进行直线插补和圆弧插补操作 2.使用
6、 SSCNET连接伺服放大器 A.20SSC-H 直接通过 SSCNET连接伺服放大器（ MR-J3-B).B.通过SSCNET光纤连接 20SSC-H 和伺服放大器可以减少配线（最远 50m)。本试验中要求 XY 轴伺服电机控制连接的传感器做圆周运动。该操作完全可以通过 FX3U-20SSC-H 运动模块控制两个伺服放大器进行圆弧插补操作。为此对于定位模块的使用主要集中在圆弧操作的使用上。通过对运动模块的了解，其圆弧插补功能只能通过定位表实现，为此我们之前必须通过 FX Configurator-FP 将定位表信息绕写到运动模块中。然后通过 PLC 启动表操作。但这种方式只能实现固定半径的圆
7、周运动，无法解决随动系统中特殊情况。一般情况则需要通过顺序程序设定定位表参数，由于诸多外界因素，我们只完成了固定半径的圆周运动。特别注意的时，对于运动模块的位置参数中“原点回归自锁”必须合理设置！5. 伺服放大器MR-J4-10B 伺服放大器主要负责对伺服电机的功率驱动，为了配合运动模块，需要对伺服放大器进行参数设置。主要设置“试运行切断开关、控制轴无效开关、轴编号辅助设定开关与轴选择旋转式开关”，使其参数为运动模块相适应。6. PLC 程序设计PLC 程序主要完成对于硬币信号的处理，控制变频器，以及启动运动控制模块的表操作实现圆弧插补等。六. 实验接线实验接线主要涉及电源部分等基本设置，对于
8、调试 PLC 的开关输入信号可自行指定。伺服系统端子 实验箱端子 PLC 端子 功能模块端子 电源端子 备注伺服轴 1L1 L 轴 1L3 N 轴 2L1 L 轴 2L3 N 轴 1L1-L11 短接轴 1L2-L21 短接轴 2L1-L11 短接轴 2L2-L21 短接伺服轴 1U 轴 1U 伺服轴 1V 轴 1V 伺服轴 1W 轴 1W 伺服轴 1PE 轴 1PE 伺服轴 2U 轴 2U 伺服轴 2V 轴 2V 伺服轴 2W 轴 2W 伺服轴 2PE 轴 2PE 轴 1DICOM 24V+ 轴 1DOCOM 0V 轴 1EM2 0V 轴 2DICOM 24V+ 轴 2DOCOM 0V 轴
9、2EM2 0V 变频器R L S N 变频调速电机 U U 变频调速电机 V V 变频调速电机 W W STR/STF-SD 短接FX3U-4DA-ADP V1+-变频器 2 短接FX3U-4DA-ADP COM1-变频器 5 短接PLCSW0 X10 SW1 X11 SW2 X12 SW3 X13 SW4 X14 SW5 X15 SW6 X16 COM 0V 编码器DC5-24V+ 24V+ DC5-24V+ 0V A 轴 X0 触摸屏触摸屏电源24V+ 24V+ 触摸屏电源 0V 0V 七. 实验结果1. 触摸屏设计经过实验验证，触摸屏设计良好，按钮均能实现相应的控制功能。2. 接近开关的
10、调试按右图接线，将 BK 接至 PLC 的输入端X0，将 PLC 的输出端 Y0 接至发光二极管，编写调试程序如图所示，运行程序，当接近开关传感器探头远离转盘上的硬币时，发光二极管亮，接近硬币时，发光二极管熄灭。3. 变频器变频器可以设置为外部运行模式，在此模式下只需要将外部开关连接到相应端子上即可，通过开关的闭合可以控制变频器。PLC 与变频器的接线如左图所示，其中 STF 为启动输入，STR 为反转输入，RH,RM，RL 分别为高速，中速，低速输入，MRS 为输出停止，RES 为复位输入，而 SD 为输入的公共端。在实际调试的过程中，首先需要设置变频器参数 Pr.79!相应的 PLC 控制
11、程序如下图所示.PLCY30Y31Y32Y33Y34Y35Y36变频器控制信号端STFSTRRHRMRLMRSRESCOM6 SD4. 运动模块本实验对于运动控制模块 FX3U-20SSC-H 的设置主要通过 FX Configurator-FP 来完成的。对于运动控制模块的设置主要集中到以下 5 个方面：位置参数，伺服参数，X 轴表操作信息，Y 轴表操作信息，XY 轴表操作信息。而本试验中主要是对位置参数，伺服参数，以及 XY 轴表操作信息进行设置。具体设置加下图：a) 位置参数对于原点回归操作的类型设置，本实验采用设定数据模式，即将伺服电机运动合适位置，启动原点回归命令，此时将所处位置设置
12、为原点。本试验中“OPR interlock setting”设置（原点回归自锁）为有效。则进行表操作之前必须进行原点回归操作！b) 伺服参数本试验中对于伺服参数的设置主要为其伺服放大器的系列号的设置。确保运动控制模块与伺服放大器的通信正常，能够完成对伺服放大器的控制！c) XY 轴表操作信息本试验中设置的 XY 轴表操作信息分为 7 个操作，每个操作的解释如下：0.设置相对位置坐标，接下来出现的位置为相对位置坐标1.线性插补操作2.延时操作3.圆弧插补操作（由于终点位置与起点重合，故插补为整个圆）4.延时操作5.跳转指令，跳转到第 3 条指令6.结束指令由于跳转指令的存在，传感器看上去就在做
13、连续的圆周运动！5. 伺服放大器伺服放大器的设置主要集中在轴选择开关和控制轴开关。由于运动控制模块要求其控制的两个伺服放大器的轴号必须不同，因此轴选择开关必须旋转到相应位置。而控制轴设置开关则需要将测试运行切换开关以及控制轴无效开关设置为 OFF。而轴号码辅助设置开关则根据相应的轴号进行设置。本试验中将轴号分别设计为 0,1.因此轴号码辅助设置开关全为 OFF，只需要将相应的轴选择旋转开关设置正确即可！八. PLC 程序设计梯形图中主要实现 JOG 运行，原点回归操作以及表操作（圆弧插补） ，停止等。由于表信息已经通过 FX Configurator-FP 设置完毕，所以启动这些操作只需要设置
14、相应阐述对应为即可。其中 JOG 操作主要设置 BFM #518 的 b4，b5 位，BFM #618 的 b4，b5。分别为 X 轴正向，反向，Y 轴正向，反向操作启动控制位。X 轴的启动，停止位分别为 BFM #518 b1，b9; Y 轴的启动，停止位分别为 BFM #618 b1， b9;PLC 端口分配如表所示，伺服放大器调试接线在梯形图中 SW1 和 SW2 互为自锁，SW3 和 SW4 互为自锁。保证 JOG 运行不会出现错误的指示。开关输入器件号 地址号 功能说明SW0 X000 原点回归SW1 X001 X+方向运动SW2 X002 X-方向运动SW3 X003 Y+方向运动
15、SW4 X004 Y-方向运动SW5 X005 表格操作（圆弧插补）SW6 X006 停止PLC 端口分配 对于原点回归设置，表操作，停止操作的设置则涉及到 XY 轴的相应位。九. 实验心得用 PLC 可以直接对伺服电机进行位置和速度控制，无需增加定位模块。 PLC 的处理速度高，输出脉冲的频率也很高，而且指令也很简单，在系统联机的情况下也可方便地进行所有指令的修改工作。这次的实验对我们组而言不是很轻松，我们组在前两周都比较辛苦，需要重新开始学习 PLC 我们的实验题目是伺服电机进行位置和速度控制，其实算起来程序的编程并不是很复杂，只不过要将逻辑语言转化成梯形图，这一步对我们组而言稍微困难一些。伺服电机的控制需要的软件比较多，电脑上一共安装了四个软件，每个软件都需要用到，各个软件之间的配合是我们这次实验的重点。我们在实验的过程中，遇到自己不能解决的难题，也会去找老师，还有和其他组的同学交流讨论，共同解决问题。PLC 在工业生产中应用非常广泛，虽然我们没有系统地学习过 PLC 的理论课程，但是通过自学完成了此次实验，让我受益良多。十. 视频见附件
