伺服电机论文.pdf

1、北 京 电 子 科 技 职 业 学 院 自 动 化 工 程 学 院 毕 业 论 文目 录摘 要 .1第 1 章 课 题 任 务 及 安 排 .21 .1 课 题 组 总 任 务 . 21 .2 个 人 任 务 21 .3 技 术 （ 业 务 ） 要 求 .21 .4 设 计 步 骤 和 方 法 .2第 2 章 基 本 知 识 32 .1 伺 服 控 制 系 统 . 32 .1.1 基 本 释 义 32 .1.2 主 要 指 标 42 .1.3 结 构 组 成 42 .1.4 系 统 分 类 42 .1.5 技 术 要 求 52 .2 伺 服 电 动 机 62 .2.1 了 解 伺 服 电 机

2、.62 .2.2 交 流 伺 服 电 动 机 的 发 展 现 状 82 .3 PLC 的 概 念 .82 .3.1 PLC 的 定 义 .82 .4 PLC 结 构 及 原 理 92 .4.1 PLC 的 基 本 组 成 92 .4.2 输 入 输 出 接 口 .1 02 .4.3 电 源 1 12 .4.4 PLC 的 软 件 结 构 1 12 .4.5 PLC 的 功 能 及 应 用 1 3第 3 章 工 作 台 的 安 装 与 调 试 1 53 .1 工 作 台 的 速 度 伺 服 控 制 方 式 1 53 .1.1 接 线 图 图 及 说 明 .1 53 .1.2 控 制 程 序 及

3、说 明 .1 63 .1.3 控 只 效 果 及 应 用 .2 03 .1.4 应 用 2 03 .2 工 作 台 的 位 置 伺 服 控 制 方 式 2 03 .2.1 接 线 图 图 及 说 明 .2 0北 京 电 子 科 技 职 业 学 院 自 动 化 工 程 学 院 毕 业 论 文3 .2.2 控 制 程 序 及 说 明 .2 33 .2.3 应 用 2 4第 4 章 总 结 2 5谢 辞 2 7参 考 文 献 2 7北 京 电 子 科 技 职 业 学 院 自 动 化 工 程 学 院 毕 业 论 文第 1 页 共 3 0 页摘 要随 着 自 动 化 技 术 、 计 算 机 技 术 、

4、电 力 电 子 技 术 的 发 展 ， 特 别 是 高 性 能 永 磁 材料 的 问 世 ， 电 动 机 制 造 技 术 水 平 得 到 了 极 大 的 提 高 ， 也 为 特 种 电 动 机 的 制 造 、 控制 和 应 用 提 出 了 更 高 的 要 求 ， 提 供 了 更 广 阔 的 发 展 空 间 。用 来 精 确 地 跟 随 或 复 现 某 个 过 程 的 反 馈 控 制 系 统 。 在 很 多 情 况 下 ， 伺 服 系 统专 指 被 控 制 量 （ 系 统 的 输 出 量 ） 是 机 械 位 移 或 位 移 速 度 、 加 速 度 的 反 馈 控 制 系 统 ，其 作 用 是 使

5、 输 出 的 机 械 位 移 （ 或 转 角 ） 准 确 地 跟 踪 输 入 的 位 移 （ 或 转 角 ） 。 伺 服系 统 的 结 构 组 成 和 其 他 形 式 的 反 馈 控 制 系 统 没 有 原 则 上 的 区 别 。伺 服 控 制 系 统 是 一 种 能 对 试 验 装 置 的 机 械 运 动 按 预 定 要 求 进 行 自 动 控 制 的操 作 系 统 。 在 很 多 情 况 下 ， 伺 服 系 统 专 指 被 控 制 量 （ 系 统 的 输 出 量 ） 是 机 械 位移 或 位 移 速 度 、 加 速 度 的 反 馈 控 制 系 统 ， 其 作 用 是 使 输 出 的 机 械

6、 位 移 （ 或 转 角 ）准 确 地 跟 踪 输 入 的 位 移 （ 或 转 角 ） 。 伺 服 系 统 的 结 构 组 成 和 其 他 形 式 的 反 馈 控 制系 统 没 有 原 则 上 的 区 别关 键 词 ： 伺 服 控 制 速 度 控 制 方 式 位 置 控 制 方 式北 京 电 子 科 技 职 业 学 院 自 动 化 工 程 学 院 毕 业 论 文第 2 页 共 3 0 页第 1 章 课 题 任 务 及 安 排1.1课 题 组 总 任 务完 成 工 作 台 的 结 构 设 计 和 不 同 方 案 的 伺 服 控 制 设 计 ， 应 用 三 维 软 件实 现 工 作 台 的 结 构

7、 设 计 ， 选 用 PLC 控 制 器 ， 实 现 电 气 控 制 设 计 和 控 制 程 序的 编 写 。1.2个 人 任 务“ 工 作 台 伺 服 控 制 系 统 方 案 设 计 与 装 调 ” 题 目 根 据 其 控 制 要 求 的 不 同 ， 可 以构 建 多 种 形 式 的 控 制 方 案 ， 该 课 题 由 2 名 学 生 共 同 完 成 。 一 名 学 生 主 要 工 作 台 的结 构 设 计 和 不 同 控 制 方 案 的 设 计 ， 另 一 名 学 生 完 成 不 同 方 案 的 伺 服 控 制 系 统 装调 。 我 的 任 务 是 不 同 方 案 的 伺 服 控 制 系

8、统 装 调在 设 计 过 程 中 ， 工 作 台 伺 服 控 制 系 统 方 案 设 计 与 装 调 的 制 定 应 该 由 本 课 题 组的 全 体 成 员 共 同 讨 论 完 成 ， 以 保 证 整 体 设 计 工 作 的 顺 利 完 成 。1.3技 术 （ 业 务 ） 要 求课 题 参 考 我 院 “ 机 电 设 备 故 障 诊 断 与 维 修 ”实 训 室 设 备 ， 完 成 以 下 具 体 技 术指 标 ：1 、 工 作 台 的 结 构 设 计 ， 包 含 零 部 件 和 整 体 装 配 ， 使 之 能 够 正 常 运 转 。 采 用一 种 三 维 设 计 软 件 ， 实 现 结 构

9、 设 计 。2 、 选 用 实 训 室 中 相 关 的 电 气 设 备 、 元 件 和 传 感 器 。3 、 设 计 该 工 作 台 伺 服 控 制 的 电 气 控 制 原 理 图 ， 理 解 控 制 原 理 。4 、 学 习 相 关 PLC 控 制 技 术 。5 、 设 计 PLC 控 制 程 序 ， 能 够 说 明 程 序 控 制 过 程 。1.4设 计 步 骤 和 方 法1 、 要 详 细 阅 读 相 关 技 术 资 料 ， 掌 握 相 关 内 容 。1 ） 三 维 造 型 软 件 的 使 用 ， 确 定 一 种 （ inventor， CAXA 实 体 设 计 ） 。软 件 安 装 、

10、 基 本 使 用 、 零 件 造 型 、 装 配 等 内 容 。2 ） PLC 的 使 用 ， 确 定 一 种 PLC（ 西 门 子 、 三 菱 ） 。工 作 原 理 、 特 点 、 I/O 口 使 用 、 电 脑 与 PLC 通 讯 、 程 序 指 令 、 控 制 程序 编 写 。 3 ） 电 气 控 制根 据 设 计 控 制 要 求 ， 选 择 电 气 元 件 、 传 感 器 、 PLC 等 。 说 明 各 元 件 工北 京 电 子 科 技 职 业 学 院 自 动 化 工 程 学 院 毕 业 论 文第 3 页 共 3 0 页作 功 能 作 原 理 。2 、 设 计 步 骤1 ） PLC 控

11、 制 原 理 图 绘 制 。 说 明 控 制 原 理 。2 、 PLC 控 制 程 序 流 程 图 。3 、 PLC 控 制 程 序 。4 、 程 序 仿 真 调 试 。 遇 到 故 障 问 题 如 何 解 决 的 。5 、 编 写 毕 业 设 计 论 文 。 第 2章 基 本 知 识2.1伺 服 控 制 系 统用 来 精 确 地 跟 随 或 复 现 某 个 过 程 的 反 馈 控 制 系 统 。 在 很 多 情 况 下 ， 伺 服 系 统专 指 被 控 制 量 （ 系 统 的 输 出 量 ） 是 机 械 位 移 或 位 移 速 度 、 加 速 度 的 反 馈 控 制 系 统 ，其 作 用 是

12、 使 输 出 的 机 械 位 移 （ 或 转 角 ） 准 确 地 跟 踪 输 入 的 位 移 （ 或 转 角 ） 。 伺 服系 统 的 结 构 组 成 和 其 他 形 式 的 反 馈 控 制 系 统 没 有 原 则 上 的 区 别 。伺 服 系 统 ， 又 称 随 动 系 统 ， 是 用 来 精 确 地 跟 随 或 复 现 某 个 过 程 的 反 馈 控 制 系统 。 伺 服 系 统 使 物 体 的 位 置 、 方 位 、 状 态 等 输 出 被 控 量 能 够 跟 随 输 入 目 标 （ 或 给定 值 ） 的 任 意 变 化 的 自 动 控 制 系 统 。 它 的 主 要 任 务 是 按 控

13、 制 命 令 的 要 求 、 对 功 率进 行 放 大 、 变 换 与 调 控 等 处 理 ， 使 驱 动 装 置 输 出 的 力 矩 、 速 度 和 位 置 控 制 非 常 灵活 方 便 。 在 很 多 情 况 下 ， 伺 服 系 统 专 指 被 控 制 量 （ 系 统 的 输 出 量 ） 是 机 械 位 移 或位 移 速 度 、 加 速 度 的 反 馈 控 制 系 统 ， 其 作 用 是 使 输 出 的 机 械 位 移 （ 或 转 角 ） 准 确地 跟 踪 输 入 的 位 移 （ 或 转 角 ） ， 其 结 构 组 成 和 其 他 形 式 的 反 馈 控 制 系 统 没 有 原 则上 的

14、区 别 。2.1.1基 本 释 义伺 服 控 制 系 统 是 一 种 能 对 试 验 装 置 的 机 械 运 动 按 预 定 要 求 进 行 自 动 控 制 的操 作 系 统 。 在 很 多 情 况 下 ， 伺 服 系 统 专 指 被 控 制 量 （ 系 统 的 输 出 量 ） 是 机 械 位 移或 位 移 速 度 、 加 速 度 的 反 馈 控 制 系 统 ， 其 作 用 是 使 输 出 的 机 械 位 移 （ 或 转 角 ） 准确 地 跟 踪 输 入 的 位 移 （ 或 转 角 ） 。 伺 服 系 统 的 结 构 组 成 和 其 他 形 式 的 反 馈 控 制 系统 没 有 原 则 上 的

15、 区 别 。北 京 电 子 科 技 职 业 学 院 自 动 化 工 程 学 院 毕 业 论 文第 4 页 共 3 0 页2.1.2主 要 指 标衡 量 伺 服 控 制 系 统 性 能 的 主 要 指 标 系 统 精 度 、 稳 定 性 、 响 应 特 性 、 工 作 频 率四 大 方 面 ， 特 别 在 频 带 宽 度 和 精 度 方 面 。频 带 宽 度 简 称 带 宽 ， 由 系 统 频 率 响 应 特 性 来 规 定 ， 反 映 伺 服 系 统 的 跟 踪 的 快速 性 。 带 宽 越 大 ， 快 速 性 越 好 。 伺 服 系 统 的 带 宽 主 要 受 控 制 对 象 和 执 行 机

16、 构 的 惯性 的 限 制 。 惯 性 越 大 ， 带 宽 越 窄 。 一 般 伺 服 系 统 的 带 宽 小 于 1 5 赫 兹 ， 大 型 设 备伺 服 系 统 的 带 宽 则 在 1 2 赫 兹 以 下 。 自 2 0 世 纪 7 0 年 代 以 来 ， 由 于 发 展 了 力 矩电 机 及 高 灵 敏 度 测 速 机 ， 使 伺 服 系 统 实 现 了 直 接 驱 动 ， 革 除 或 减 小 了 齿 隙 和 弹 性变 形 等 非 线 性 因 素 ， 使 带 宽 达 到 5 0 赫 兹 ， 并 成 功 应 用 在 远 程 导 弹 、 人 造 卫 星 、精 密 指 挥 仪 等 场 所 。

17、伺 服 系 统 的 精 度 主 要 决 定 于 所 用 的 测 量 元 件 的 精 度 。 因 此 ，在 伺 服 系 统 中 必 须 采 用 高 精 度 的 测 量 元 件 ， 如 精 密 电 位 器 、 自 整 角 机 和 旋 转 变 压器 等 。 此 外 ， 也 可 采 取 附 加 措 施 来 提 高 系 统 的 精 度 ， 例 如 将 测 量 元 件 （ 如 自 整 角机 ） 的 测 量 轴 通 过 减 速 器 与 转 轴 相 连 ， 使 转 轴 的 转 角 得 到 放 大 ， 来 提 高 相 对 测 量精 度 。 采 用 这 种 方 案 的 伺 服 系 统 称 为 精 测 粗 测 系

18、统 或 双 通 道 系 统 。 通 过 减 速 器 与转 轴 啮 合 的 测 角 线 路 称 精 读 数 通 道 ， 直 接 取 自 转 轴 的 测 角 线 路 称 粗 读 数 通 道 。2.1.3结 构 组 成机 电 一 体 化 的 伺 服 控 制 系 统 的 结 构 ,类 型 繁 多 ,但 从 自 动 控 制 理 论 的 角 度 来 分析 ,伺 服 控 制 系 统 一 般 包 括 控 制 器 ,被 控 对 象 ,执 行 环 节 ,检 测 环 节 ,比 较 环 节 等 五 部分 。 比 较 环 节 是 将 输 入 的 指 令 信 号 与 系 统 的 反 馈 信 号 进 行 比 较 ,以 获

19、得 输 出 与 输入 间 的 偏 差 信 号 的 环 节 ,通 常 由 专 门 的 电 路 或 计 算 机 来 实 现 。控 制 器 通 常 是 计 算 机 或 PID 控 制 电 路 ,其 主 要 任 务 是 对 比 较 元 件 输 出 的 偏 差信 号 进 行 变 换 处 理 ,以 控 制 执 行 元 件 按 要 求 动 作 。执 行 环 节 的 作 用 是 按 控 制 信 号 的 要 求 ,将 输 入 的 各 种 形 式 的 能 量 转 化 成 机 械能 ,驱 动 被 控 对 象 工 作 .机 电 一 体 化 系 统 中 的 执 行 元 件 一 般 指 各 种 电 机 或 液 压 ,气动

20、 伺 服 机 构 等 。机 械 参 数 量 包 括 位 移 ， 速 度 ， 加 速 度 ， 力 ， 和 力 矩 为 被 控 对 象 。检 测 环 节 是 指 能 够 对 输 出 进 行 测 量 并 转 换 成 比 较 环 节 所 需 要 的 量 纲 的 装 置 ,一 般 包 括 传 感 器 和 转 换 电 路 。2.1.4系 统 分 类伺 服 系 统 的 分 类 方 法 很 多 ,常 见 的 分 类 方 法 有 以 下 三 种 .(1 )按 被 控 量 参 数 特 性 分 类 .(2 )按 驱 动 元 件 的 类 型 分 类 .伺 服 控 制 系 统 按 所 用 控 制 元 件 的 类 型 可

21、 分 为 机 电 伺 服 系 统 、 液 压 伺 服 系 统（ 液 压 控 制 系 统 ） 和 气 动 伺 服 系 统 。北 京 电 子 科 技 职 业 学 院 自 动 化 工 程 学 院 毕 业 论 文第 5 页 共 3 0 页(3 )按 控 制 原 理 分 类 .伺 服 系 统 可 分 为 开 环 控 制 伺 服 系 统 、 闭 环 控 制 伺 服 系 统 和 半 闭 环 控 制 伺 服系 统 。常 见 的 四 种 伺 服 控 制 系 统 如 下 ：(1 ) 液 压 伺 服 控 制 系 统液 压 伺 服 控 制 系 统 是 以 电 机 提 供 动 力 基 础 ， 使 用 液 压 泵 将 机

22、 械 能 转 化 为 压力 ， 推 动 液 压 油 。 通 过 控 制 各 种 阀 门 改 变 液 压 油 的 流 向 ， 从 而 推 动 液 压 缸 做 出 不同 行 程 、 不 同 方 向 的 动 作 ， 完 成 各 种 设 备 不 同 的 动 作 需 要 。 液 压 伺 服 控 制 系 统 按照 偏 差 信 号 获 得 和 传 递 方 式 的 不 同 分 为 机 -液 、 电 -液 、 气 -液 等 ,其 中 应 用 较 多 的是 机 -液 和 电 -液 控 制 系 统 。 按 照 被 控 物 理 量 的 不 同 ,液 压 伺 服 控 制 系 统 可 以 分 为 位置 控 制 、 速 度

23、 控 制 、 力 控 制 、 加 速 度 控 制 、 压 力 控 制 和 其 他 物 理 量 控 制 等 。 液 压控 制 系 统 还 可 以 分 为 节 流 控 制 (阀 控 )式 和 容 积 控 制 (泵 控 )式 。 在 机 械 设 备 中 ,主 要有 机 -液 伺 服 系 统 和 电 -液 伺 服 系 统 。(2 ) 交 流 伺 服 控 制 系 统交 流 伺 服 控 制 系 统 包 括 基 于 异 步 电 动 机 的 交 流 伺 服 系 统 和 基 于 同 步 电 动 机的 交 流 伺 服 系 统 。 除 了 具 有 稳 定 性 好 、 快 速 性 好 、 精 度 高 的 特 点 外

24、， 具 有 一 系 列优 点 。 它 的 性 能 指 标 可 以 从 调 速 范 围 、 定 位 精 度 、 稳 速 精 度 、 动 态 响 应 和 运 行 稳定 性 等 方 面 来 衡 量 。(3 ) 直 流 伺 服 控 制 系 统交 流 伺 服 控 制 系 统 的 工 作 原 理 是 建 立 在 电 磁 力 定 律 基 础 上 。 与 电 磁 转 矩 相 关的 是 互 相 独 立 的 两 个 变 量 主 磁 通 与 电 枢 电 流 ， 它 们 分 别 控 制 励 磁 电 流 与 电 枢 电流 ， 可 方 便 地 进 行 转 矩 与 转 速 控 制 。 另 一 方 面 从 控 制 角 度 看

25、 ， 直 流 伺 服 的 控 制 是一 个 单 输 入 单 输 出 的 单 变 量 控 制 系 统 ， 经 典 控 制 理 论 完 全 适 用 于 这 种 系 统 ， 因 此 ，它 凭 借 控 制 简 单 ， 调 速 性 能 优 异 ， 在 数 控 机 床 的 进 给 驱 动 中 曾 占 据 着 主 导 地 位 。(4 ) 电 液 伺 服 控 制 系 统它 是 一 种 由 电 信 号 处 理 装 置 和 液 压 动 力 机 构 组 成 的 反 馈 控 制 系 统 。 最 常 见 的有 电 液 位 置 伺 服 系 统 、 电 液 速 度 控 制 系 统 和 电 液 力 (或 力 矩 )控 制 系

26、 统 。以 上 是 我 们 常 用 到 的 四 种 伺 服 系 统 ， 他 们 的 工 作 原 理 和 性 能 以 及 可 以 应 用 的范 围 都 有 所 区 别 ， 各 有 自 己 的 特 点 和 优 缺 点 。 因 此 在 选 择 或 者 购 买 的 时 候 ， 就 需要 根 据 系 统 的 需 要 以 及 需 要 控 制 的 参 数 和 实 现 的 性 能 ， 通 过 计 算 后 在 选 择 合 适 的产 品 。2.1.5技 术 要 求1 .系 统 精 度伺 服 系 统 精 度 指 的 是 输 出 量 复 现 输 入 信 号 要 求 的 精 确 程 度 ,以 误 差 的 形 式 表北

27、京 电 子 科 技 职 业 学 院 自 动 化 工 程 学 院 毕 业 论 文第 6 页 共 3 0 页现 ,可 概 括 为 动 态 误 差 ,稳 态 误 差 和 静 态 误 差 三 个 方 面 组 成 。2 .稳 定 性伺 服 系 统 的 稳 定 性 是 指 当 作 用 在 系 统 上 的 干 扰 消 失 以 后 ,系 统 能 够 恢 复 到 原来 稳 定 状 态 的 能 力 ;或 者 当 给 系 统 一 个 新 的 输 入 指 令 后 ,系 统 达 到 新 的 稳 定 运 行 状态 的 能 力 。3 .响 应 特 性响 应 特 性 指 的 是 输 出 量 跟 随 输 入 指 令 变 化 的

28、 反 应 速 度 ,决 定 了 系 统 的 工 作 效率 .响 应 速 度 与 许 多 因 素 有 关 ,如 计 算 机 的 运 行 速 度 ,运 动 系 统 的 阻 尼 和 质 量 等 。4 .工 作 频 率工 作 频 率 通 常 是 指 系 统 允 许 输 入 信 号 的 频 率 范 围 .当 工 作 频 率 信 号 输 入 时 ,系统 能 够 按 技 术 要 求 正 常 工 作 ;而 其 它 频 率 信 号 输 入 时 ,系 统 不 能 正 常 工 作 。应 用伺 服 控 制 系 统 最 初 用 于 船 舶 的 自 动 驾 驶 、 火 炮 控 制 和 指 挥 仪 中 ， 后 来 逐 渐

29、推广 到 很 多 领 域 ， 特 别 是 自 动 车 床 、 天 线 位 置 控 制 、 导 弹 和 飞 船 的 制 导 等 。采 用 伺 服 系 统 主 要 是 为 了 达 到 下 面 几 个 目 的 ： 以 小 功 率 指 令 信 号 去 控 制 大 功 率 负 载 。 火 炮 控 制 和 船 舵 控 制 就 是 典 型 的例 子 。 在 没 有 机 械 连 接 的 情 况 下 ， 由 输 入 轴 控 制 位 于 远 处 的 输 出 轴 ， 实 现 远 距同 步 传 动 。 使 输 出 机 械 位 移 精 确 地 跟 踪 电 信 号 ， 如 记 录 和 指 示 仪 表 等 。2.2伺 服

30、电 动 机2.2.1了 解 伺 服 电 机伺 服 电 机 基 本 概 念伺 服 电 动 机 的 工 作 原 理(1 ) 伺 服 主 要 靠 脉 冲 来 定 位 ， 基 本 上 可 以 这 样 理 解 ， 伺 服 电 机 接 收 到 1个 脉 冲 ， 就 会 旋 转 1 个 脉 冲 对 应 的 角 度 ， 从 而 实 现 位 移 ， 因 为 ， 伺 服 电 机 本 身 具备 发 出 脉 冲 的 功 能 ， 所 以 伺 服 电 机 每 旋 转 一 个 角 度 ， 都 会 发 出 对 应 数 量 的 脉 冲 ，这 样 ， 和 伺 服 电 机 接 受 的 脉 冲 形 成 了 呼 应 ， 或 者 叫 闭

31、 环 ， 如 此 一 来 ， 系 统 就 会 知道 发 了 多 少 脉 冲 给 伺 服 电 机 ， 同 时 又 收 了 多 少 脉 冲 回 来 ， 这 样 ， 就 能 够 很 精 确 的控 制 电 机 的 转 动 ， 从 而 实 现 精 确 的 定 位 ， 可 以 达 到 0 .0 0 1 MM。直 流 伺 服 电 机 分 为 有 刷 和 无 刷 电 机 。 有 刷 电 机 成 本 低 ， 结 构 简 单 ， 启 动 转 矩大 ， 调 速 范 围 宽 ， 控 制 容 易 ， 需 要 维 护 ， 但 维 护 方 便 （ 换 碳 刷 ） ， 产 生 电 磁 干 扰 ，对 环 境 有 要 求 。 因

32、 此 它 可 以 用 于 对 成 本 敏 感 的 普 通 工 业 和 民 用 场 合 。北 京 电 子 科 技 职 业 学 院 自 动 化 工 程 学 院 毕 业 论 文第 7 页 共 3 0 页图 1 伺 服 电 机无 刷 电 机 体 积 小 ， 重 量 轻 ， 出 力 大 ， 响 应 快 ， 速 度 高 ， 惯 量 小 ， 转 动 平滑 ， 力 矩 稳 定 。 控 制 复 杂 ， 容 易 实 现 智 能 化 ， 其 电 子 换 相 方 式 灵 活 ， 可 以 方 波 换相 或 正 弦 波 换 相 。 电 机 免 维 护 ， 效 率 很 高 ， 运 行 温 度 低 ， 电 磁 辐 射 很 小

33、 ， 长 寿 命 ，可 用 于 各 种 环 境 。(2 ) 交 流 伺 服 电 机 也 是 无 刷 电 机 ， 分 为 同 步 和 异 步 电 机 ， 目 前 运 动 控 制 中一 般 都 用 同 步 电 机 ， 它 的 功 率 范 围 大 ， 可 以 做 到 很 大 的 功 率 。 大 惯 量 ， 最 高 转 动速 度 低 ， 且 随 着 功 率 增 大 而 快 速 降 低 。 因 而 适 合 做 低 速 平 稳 运 行 的 应 用 。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

34、用 下 转 动 ， 同 时 电 机 自 带 的 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 。 伺 服 电 机 的 精 度 决 定 于 编码 器 的 精 度 （ 线 数 ） 。伺 服 电 动 机 的 分 类伺 服 电 动 机 分 交 、 直 流 两 类 。 交 流 伺 服 电 动 机 的 工 作 原 理 与 交 流 感 应 电 动 机相 同 。 在 定 子 上 有 两 个 相 空 间 位 移 9 0 电 角 度 的 励 磁 绕 组 Wf 和 控 制 绕 组 WcoWf接 一 恒 定 交 流

35、 电 压 ， 利 用 施 加 到 Wc 上 的 交 流 电 压 或 相 位 的 变 化 ， 达 到 控 制 电 动机 运 行 的 目 的 。 交 流 伺 服 电 动 机 具 有 运 行 稳 定 、 可 控 性 好 、 响 应 快 速 、 灵 敏 度 高以 及 机 械 特 性 和 调 节 特 性 的 非 线 性 度 指 标 严 格 （ 要 求 分 别 小 于 1 0 1 5 和 小于 1 5 2 5 ） 等 特 点 。 直 流 伺 服 电 动 机 的 工 作 原 理 与 一 般 直 流 电 动 机 相 同 。 电动 机 转 速 n 为 公 式 1公 式 1 ： n E K1 j （ Ua IaR

36、a） K1 j式 中 E 为 电 枢 反 电 动 势 ； K 为 常 数 ； j 为 每 极 磁 通 ； Ua， Ia 为 电 枢 电 压 和 电枢 电 流 ； Ra 为 电 枢 电 阻 。 改 变 Ua 或 改 变 ， 均 可 控 制 直 流 伺 服 电 动 机 的 转 速 ，但 一 般 采 用 控 制 电 枢 电 压 的 方 法 。 在 永 磁 式 直 流 伺 服 电 动 机 中 ， 励 磁 绕 组 被 永 久磁 铁 所 取 代 ， 磁 通 恒 定 。直 流 伺 服 电 动 机 具 有 良 好 的 线 性 调 节 特 性 及 快 速 的 时 间 响 应 。伺 服 电 动 机 的 特 点 ：

37、 1 )直 流 伺 服 马 达 ,优 点 :精 确 的 速 度 控 制 ,转 矩 速 度 特 性 很硬 ,原 理 简 单 、 使 用 方 便 ,价 格 优 势 ;缺 点 :电 刷 换 向 ,速 度 限 制 ,附 加 阻 力 ,产 生 磨 损 微粒 (对 于 无 尘 室 )。 2 ） 对 于 交 流 伺 服 马 达 优 点 :良 好 的 速 度 控 制 特 性 ， 在 整 个 速 度区 内 可 实 现 平 滑 控 制 ， 几 乎 无 振 荡 ;高 效 率 ， 9 0 %以 上 ， 不 发 热 ;高 速 控 制 ;高 精 确位 置 控 制 （ 取 决 于 何 种 编 码 器 ） ;额 定 运 行

38、区 域 内 ， 实 现 恒 力 矩 ;低 噪 音 ;没 有 电 刷北 京 电 子 科 技 职 业 学 院 自 动 化 工 程 学 院 毕 业 论 文第 8 页 共 3 0 页的 磨 损 ， 免 维 护 ;不 产 生 磨 损 颗 粒 、 没 有 火 花 ， 适 用 于 无 尘 间 、 易 暴 环 境 惯 量 低 ;缺 点 :控 制 较 复 杂 ,驱 动 器 参 数 需 要 现 场 调 整 PID 参 数 整 定 ,需 要 更 多 的 连 线2.2.2交 流 伺 服 电 动 机 的 发 展 现 状随 着 数 控 技 术 的 迅 速 发 展 ， 伺 服 系 统 的 作 用 与 要 求 越 显 突 出

39、 ， 交 流 伺 服 电 动机 的 应 用 也 越 来 越 为 广 泛 。 针 对 直 流 电 动 机 的 缺 陷 ， 如 果 将 其 里 外 作 相 应 的 调 整处 理 ， 即 把 电 驱 绕 组 装 在 定 子 、 转 子 为 永 磁 部 分 ， 由 转 子 轴 上 的 编 码 器 测 出 磁 极位 置 ， 就 构 成 了 永 磁 无 刷 电 动 机 ， 同 时 随 着 矢 量 控 制 方 法 的 实 用 化 ， 使 交 流 伺 服系 统 具 有 良 好 的 伺 服 特 性 ， 其 宽 调 速 范 围 、 高 稳 速 精 度 、 快 速 动 态 响 应 及 四 象 限运 行 等 良 好

40、的 技 术 性 能 ， 使 其 动 、 静 态 特 性 已 完 全 可 与 直 流 伺 服 系 统 相 媲 美 。 同时 可 实 现 弱 磁 高 速 控 制 ， 拓 宽 了 系 统 的 调 速 范 围 ， 适 应 了 高 性 能 伺 服 驱 动 的 要 求 。目 前 ， 在 机 床 进 给 伺 服 中 采 用 的 主 要 是 永 磁 同 步 交 流 伺 服 系 统 ， 有 三 种 类 型 ：模 拟 形 式 、 数 字 形 式 和 软 件 形 式 。 模 拟 伺 服 用 途 单 一 ， 只 接 收 模 拟 信 号 ， 位 置 控制 通 常 由 上 位 机 实 现 。 数 字 伺 服 可 实 现

41、一 机 多 用 ， 如 做 速 度 、 力 矩 、 位 置 控 制 。可 接 收 模 拟 指 令 和 脉 冲 指 令 ， 各 种 参 数 均 以 数 字 方 式 设 定 ， 稳 定 性 好 。 具 有 较 丰富 的 自 诊 断 、 报 警 功 能 。 软 件 伺 服 是 基 于 微 处 理 器 的 全 数 字 伺 服 系 统 。 其 将 各 种控 制 方 式 和 不 同 规 格 、 功 率 的 伺 服 电 机 的 监 控 程 序 以 软 件 实 现 。 使 用 时 可 由 用 户设 定 代 码 与 相 关 的 数 据 即 自 动 进 入 工 作 状 态 。 配 有 数 字 接 口 ， 改 变

42、工 作 方 式 、 更换 电 动 机 规 格 时 ， 只 需 重 设 代 码 即 可 ， 故 也 称 万 能 伺 服 。交 流 伺 服 已 占 据 了 机 床 进 给 伺 服 的 主 导 地 位 ， 并 随 着 新 技 术 的 发 展 而 不 断 完善 ， 具 体 体 现 在 三 个 方 面 。 一 是 系 统 功 率 驱 动 装 置 中 的 电 力 电 子 器 件 不 断 向 高 频化 方 向 发 展 ， 智 能 化 功 率 模 块 得 到 普 及 与 应 用 ； 二 是 基 于 微 处 理 器 嵌 入 式 平 台 技术 的 成 熟 ， 将 促 进 先 进 控 制 算 法 的 应 用 ； 三

43、 是 网 络 化 制 造 模 式 的 推 广 及 现 场 总 线技 术 的 成 熟 ， 将 使 基 于 网 络 的 伺 服 控 制 成 为 可 能2.3PLC 的 概 念2.3.1PLC 的 定 义“ PLC 是 一 种 数 字 运 算 的 电 子 系 统 ， 专 为 在 工 业 环 境 下 应 用 而 设 计 。 它 采 用可 编 程 的 存 储 器 ， 用 来 在 内 部 存 储 执 行 逻 辑 运 算 、 顺 序 控 制 、 定 时 、 计 数 和 算 术运 算 等 操 作 的 指 令 ， 并 通 过 数 字 式 、 模 拟 式 的 输 入 和 输 出 ， 控 制 各 种 类 型 的 机

44、 械或 生 产 过 程 。 可 编 程 控 制 器 及 其 有 关 设 备 ， 都 应 按 易 于 与 工 业 控 制 器 系 统 联 成 一体 、 易 于 扩 充 功 能 的 原 则 设 计 。 ” 上 述 是 国 际 电 工 委 员 会 于 1 9 8 5 年 1 月 对 PLC所 作 的 权 威 性 的 定 义 。对 于 PLC 的 定 义 ， 其 补 充 说 明 如 下 。以 微 处 理 技 术 为 基 础 ， 应 用 于 以 控 制 开 关 量 为 主 ， 或 包 括 控 制 过 程 参 量 在 内的 逻 辑 控 制 、 机 电 运 动 控 制 或 过 程 控 制 等 工 业 控 制

45、 领 域 的 新 型 工 业 控 制 装 置 。北 京 电 子 科 技 职 业 学 院 自 动 化 工 程 学 院 毕 业 论 文第 9 页 共 3 0 页2.4PLC 结 构 及 原 理2.4.1PLC 的 基 本 组 成可 编 程 控 制 器 的 结 构 多 种 多 样 ， 但 其 组 成 的 一 般 原 理 基 本 相 同 ， 都 是 以 微 处理 器 为 核 心 的 结 构 ， 其 功 能 的 实 现 不 仅 基 于 硬 件 的 作 用 ， 更 要 靠 软 件 的 支 持 ， 实际 上 可 编 程 控 制 器 就 是 一 种 新 型 的 工 业 控 制 计 算 机 。微 处 理 器 （

46、 CPU） 控 制 器 的 核 心存 储 器 (RAM、 ROM）输 入 、 输 出 部 件 （ I/O 部 件 ） 连 接 现 场 设 备 与 CPU 之 间 的 接 口 电 路电 源 部 件 为 PLC 内 部 电 路 提 供 能 源整 体 结 构 的 PLC 四 部 分 装 在 同 一 机 壳 内模 块 式 结 构 的 PLC 各 部 件 独 立 封 装 ， 称 为 模 块 ， 通 过 机 架 和 总 线 连 接 而成 I/O 的 能 力 可 按 用 户 的 需 要 进 行 扩 展 和 组 合 （ 扩 展 机 ） 另 外 ， 还 必 须 有 编 程 器 将 用 户 程 序 写 进 规 定

47、 的 存 储 器 内中 央 控 制 处 理 单 元 (CPU)可 编 程 控 制 器 中 常 用 的 CPU 主 要 采 用 通 用 微 处 理 器 、 单 片 机 和 双 极 型 位 片式 微 处 理 器 三 种 类 型 。通 用 微 处 理 器 有 8 0 8 0 、 8 0 8 6 、 8 0 2 8 6 、 8 0 3 8 6 等 ； 单 片 机 有 8 0 3 1 、 8 0 9 6 等 ；位 片 式 微 处 理 器 的 AM2 9 0 0 、 AM2 9 0 3 等 。 FX2 可 编 程 控 制 器 使 用 的 微 处 理 器 是1 6 位 的 8 0 9 6 单 片 机 。存

48、储 器 图 2 -1 PLC 硬 件 结 构北 京 电 子 科 技 职 业 学 院 自 动 化 工 程 学 院 毕 业 论 文第 1 0 页 共 3 0 页可 编 程 控 制 器 配 有 两 种 存 储 器 ： 系 统 存 储 器 和 用 户 存 储 器 。系 统 存 储 器 ： 存 放 系 统 管 理 程 序 ， 用 只 读 存 储 器 实 现 。用 户 存 储 器 ： 存 放 用 户 编 制 的 控 制 程 序 ， 一 般 用 RAM 实 现 或 固 化 到 只 读 存储 器 中 。2.4.2输 入 输 出 接 口作 用 ： 连 接 用 户 输 入 输 出 设 备 和 PLC 控 制 器

49、， 将 各 输 入 信 号 转 换 成 PLC 标 准电 平 供 PLC 处 理 ， 再 将 处 理 好 的 输 出 信 号 转 换 成 用 户 设 备 所 要 求 的 信 号 驱 动 外 部负 载 。对 输 入 输 出 接 口 的 要 求 ： 良 好 的 抗 干 扰 能 力 ； 对 各 类 输 入 输 出 信 号 （ 开 关 量 、模 拟 量 、 直 流 量 、 交 流 量 ） 的 匹 配 能 力 。PLC 输 入 输 出 接 口 的 类 型 ： 模 拟 量 输 入 输 出 接 口 、 开 关 量 输 入 输 出 接 口 （ 直流 、 交 流 及 交 直 流 ） 。 用 户 应 根 据 输 入 输 出 信 号 的 类 型 选 择 合 适 的 输 入 输 出 接 口 。开 关 量 输 入 接 口 电 路各 种 输 入 接 口 均 采 取 了 抗 干 扰 措 施 。 如 带 有 光 耦 合 器 隔 离 使 PLC 与 外 部 输 入信 号 进 行 隔 离 ； 并 设 有 RC 滤 波 器 ， 用 以 消 除 输 入 触 点 的 抖 动 和 外 部 噪 声 干 扰 。通 常 有 三 种 类 型 ： 直 流 (1 2 2 4 )V 输 入 、 交 流 (1 0 0 1 2 0 )V 输