PLC控制伺服电机
第1章PLC基础知识
1.1 PLC简介
1.1.1 PLC的定义
PLC(Programmable Logic Controller)是一种以计算机（微处理器）为核心的通用工业控制装置,专为工业环境下应用而设计的一种数字运算操作的电子学系统。目前已经广泛地`应用于工业生产的各个领域。早期的可编程序控制器只能用于开关量的逻辑控制，被称为可编程序逻辑控制器（Programmable Logic Controller）,简称PC。现代可编程序控制器采用微处理（Microprocessor）作为中央处理单元，其功能大大增强，它不仅具有逻辑控制功能，还具有算术运算、模拟量处理和通信联网等功能。PLC的高可靠性到目前为止没有任何一种工业控制设备可以达到，PLC对环境的要求较低，与其它装置的外部连线和电平转换极少，可直接接各种不同类型的接触器或电磁阀等。
这样看来，PC这一名称已经不能准确反映它的特性，于是，人们将其称为可编程序控制器（Programmable Controller），简称PLC。但是近年来个人计算机（Personal Computer）也简称PLC，为了避免混淆，可编程序控制器常被称为PLC。
1.1.2 PLC的产生和发展
在PLC出现之前，机械控制及工业生产控制是用工业继电器实现的。在一个复杂的控制系统中，可能要使用成千上百个各式各样的继电器，接线、安装的工作量很大。如果控制工艺及要求发生变化，控制柜内的元件和接线也需要作相应的改动，但是这种改造往往费用高、工期长。在一个复杂的继电器控制系统中，如果有一个继电器损坏、甚至某一个继电器的某一点接触点不良，都会导致整个系统工作不正常，由于元件多、线路复杂，查找和排除故障往往很困难。继电器控制的这些固有缺点，各日新月异的工业生产带来了不可逾越的障碍。由此，人们产生了一种寻求新型控制装置的想法。
1968年，美国最大的汽车制造商通用汽车公司（GM公司）为了适应汽车型号不断翻新的要求，提出如下设想：能否把计算机功能完备、灵活、通用等优点和继电器控制系统的简单易懂、操作方便、价格便宜等优点结合起来，做成一种通用控制装置，并把计算机的编程方法合成程序输入方式加以简化，用面向过程、面向问题的“自然语言”编程，使得不熟悉计算机的人也可以方便使用。这样，使用人员不必在编程上花费大量的精力，而是集中力量去考虑如何发挥该装置的功能和作用。这一设想提出之后，美国数字设备公司（DEC公司）首先响应，于1969年研制出了世界上第一台PLC。此后，这项新技术就迅速发展起来。
PLC的发展过程大致如下：
第一代：从第一台可编程序控制器诞生到70年代初期。其特点是：CPU有中小型规模集成电路组成，存储器为磁芯存储器；功能简单，主要能完成条件、定时、计数控制；机种单一，没有形成系列；可靠性略高于继电接触器系统；没有成型的编程语言。
第二代：70年代初期到70年代末期。其特点是：CPU采用微处理器，存储器采用EPROM，使PLC的技术得到了较大的发展：PLC具有了逻辑运算、定时、计数、数值计算、数据处理、计算机接口和模拟量控制等功能：软件上开发出自诊断程序，可靠性进一步提高；系统开始向标准化、系统化发展；结构上开始有整体式和模块式的区分，整体功能从专用向通用过渡。
第三代：70年代末期到80年代中期。单片计算机的出现、半导体存储器进入了工业化生产及大规模集成电路的使用，推进了PLC的进一步发展，使其演变成专用的工业化计算机。其特点是：CPU采用8位和16位微处理器，使PLC的功能和处理速度大大增强；具有通信功能远程I/O能力；增加了多种特殊功能；自诊断功能及容错技术发展迅速；软件方面开发了面向过程的梯形图语言及其变相的语句表（也称逻辑符号）；PLC的体积进一步缩小，可靠性大大提高，成本大型化、低成本。
第四代：80年代中期到90年代中期。随着计算机技术的飞速发展，促进PLC完全计算机化。PLC全面使用8位、16位微处理芯片的位片式芯片，处理速度也达到1微秒/步。功能上具有高速计数、中断、A/D、D/A、PID等，已能满足过程控制的要求，同时加强了联网的能力。
第五代：90年代中期至今。RISC(简称指令系统CPU)芯片在计算机行业大量使用，表面贴装技术和工艺已成熟，使PLC整机的体积大大缩小，PLC使用16位和32位的微处理器芯片。CPU芯片也向专用化发展。具有强大的数值运算、函数运算和大批量数据处理能力；已开发出各种智能化模块；以LCD微现实的人机智能接口普遍使用，高级的已发展到触摸式屏幕；除手持式编程器外，大量使用了笔记本电脑和功能强大的编程软件。
目前，为了适应大中型小企业的不同需要，进一步扩大PLC在工业自动化领域的应用范围，PLC正朝着以下两个方向发展：
其一：小型PLC向体积缩小、功能增强、速度加快、价格低廉的方向发展，使之能更加广泛地取代继电器控制。
其二：大中型PLC向大容量、高可靠性、高速度、多功能、网络化的方向发展，使之能对大规模、复杂系统进行综合性的自动控制。
总的趋势是：
(1) 中央处理单元处理速度进一步加快。
(2) 控制系统将分散化。
(3) 可靠性进一步提高。
(4) 控制与管理功能一体化。
1.2 PLC的构成
PLC的硬件主要由CPU模块、I/O端口组成。
1) 中央处理单元CPU是PLC的核心，它是运算、控制中心，将完成以下任务：
(1) 接受并存储用户程序和数据。
(2) 诊断工作状态。
(3) 接受输入信号，送入PLC 的数据寄存器保存起来。
(4) 读取用户程序，进行解释和执行，完成用户程序中规定的各种操作。 2) PLC 中的存储器分为系统程序存储器和用户程序存储器
3） I/O 接口模块的作用是将工业现场装置与CPU 模块连接起来，包括开关量I/O 接口模块、模拟量I/O 接口模块、智能I/O 接口模块以及外设通讯接口模块等。
图1-1为PLC 的硬件组成框图：
1.3 PLC 的工作原理
PLC 工作过程一般可分为输入采样，程序执行和输出刷新三个主要阶段。PLC 按顺序采样所有输入信号并读入到输入映像寄存器中存储，在PLC 执行程序时被使用，通过对当前输入输出映像寄存器中的数据进行运算处理，再将其结果写入输出映像寄存器中保存,当PLC 刷新输出锁存器时被用作驱动用户设备，至此完成一个扫描周期。PLC 的扫描周期一般在100毫秒以内。PLC 程序的易修改性，可靠性，通用性，易扩展性，易维护性可和计算机程序相媲美，再加上其体积小，重量轻，安装调试方便，使其设计加工周期大为缩短，维修也方便,还可重复利用。
PLC 的循环扫描工作过程见图1-2。
输入信号
图1-1
图1-2
第2章伺服系统
2.1 伺服电机种类及结构特点
―伺服‖一词源于希腊语―奴隶‖的意思。人们想把―伺服机构‖当个得心应手的驯服工具，服从控制信号的要求而动作。在讯号来到之前，转子静止不动；讯号来到之后，转子立即转动；当讯号消失，转子能即时自行停转。由于它的―伺服‖性能，因此而得名伺服系统。
伺服系统是使物体的位置、方位、状态等输出被控量能够跟随输入目标值(或给定值)的任意变化的自动控制系统。
伺服的主要任务是按控制命令的要求，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、速度和位置控制得非常灵活方便。
通常根据伺服驱动器的种类来分类，有电气式、油压式或电气—油压式三种。伺服系统若按功能来分，则有计量伺服和功率伺服系统；模拟伺服和功率伺服系统；位置伺服和加速度伺服系统等。
电气式伺服系统根据电气信号可分为DC直流伺服系统和AC交流伺服系统二大类。AC交流伺服系统又有异步电机伺服系统和同步电机伺服系统两种
电气伺服技术应用最广，主要原因是控制方便，灵活，容易获得驱动能源，没有公害污染，维护也比较容易。特别是随着电子技术和计算机软件技术的发展，它为电气伺服技术的发展提供了广阔的前景。
早在70年代，小惯量的伺服直流电动机已经实用化了。到了70年代末期交流伺服系统开始发展，逐步实用化，AC伺服电动机的应用越来越广,并且还有取代DC伺服系统的趋势成为电气伺服系统的主流。
目前交流伺服电动机分为两种：同步型和感应型。
同步型(SM)：采用永磁结构的同步电动机，又称为无刷直流伺服电动机。
其特点：
(1) 无接触换向部件。
(2) 需要磁极位置监测器（如编码器）。
(3) 具有直流伺服电动机的全部优点。
感应型(IM)：指笼型感应电动机。
其特点：
(1) 对定子电流的激励分量和转矩分量分别控制。
(2) 具有直流伺服电动机的全部优点。
伺服系统由位置检测部分、误差放大部分、执行部分及被控对象组成。采用了全封闭无刷结构，以适应实际生产环境不需要定期检查和维修。其定子省去了铸件壳体，结构紧凑、外形小、重量轻。定子铁心较一般电动机开槽多且深，散热效果好，因而传给机械部分的热量小，提高了整个系统的可靠性。转子采用具有精密磁极形状的永久磁铁，因而可实现高转矩/惯量比，动态响应好，运行平稳。转轴安装有高精度的脉冲编码器作检测元件。因此交流伺服电动机以其高性能、大容量日益受到广泛的重视和应用。
2.2 交流伺服电机的控制方法
这里只介绍一种IM型伺服电机的控制方法：SPWM（脉宽调制变频）变频调速。这是最近发展起来的，其触发电路是一系列频率可调的脉冲波，脉冲的幅值恒定而宽度可调，因而可以根据U1/f1比值在变频的同时改变电压，并可按一定规律调制脉冲宽度，如按正弦波规律调制，这就是SPWM变频调速。
SPWM变频的工作原理可用图2-1加以说明。
u
u
图2-1
若希望变频输出为图2-1所示正弦波电压，则它可以用一系列幅值不变的矩形脉冲来等效，只要对应时间间隔内的矩形脉冲的面积和正弦波与横轴包含的面相等即可。单位周波内的脉冲数越多，等效的精度越高，谐波分量也越小。
SPWM变频调速系统的组成和线路比较复杂，现在已经有专用的SPWM集成组件供选择，如英国的HEF4752KV，功能齐全，为工程人员提供了方便。
第3章 R7D-APA3H 伺服驱动器
3.1 R7D-APA3H 伺服驱动器外部结构及端子说明
SMARTSTEP A 系列为基于传统的步进马达的简单定位系统用途而开发出来的脉冲输入型位置控制产品。它结合了步进的简单易用特点，同时具备步进马达难以达到的一些特征，如：在高速、高矩的情况下段时间内完成定位，在负荷急剧变化的情况下仍能保持状态稳定等，是具有很高可靠性的马达/驱动器。
图3-1为R7D-APA3H 伺服驱动器外部结构，表3-1为端子说明。 注：本系列使用电压：
主回路电源： 单相AC200/230V(170～253V)50/60Hz 控制回路电源：单相AC200/230V(170～253V)50/60Hz
控制输入输出信号的连接及外部信号信号处理电路图见附录1。
3.2 参数 / 监控模式
监控模式见表3-2。
图3-1
表3-1
表3-2
参数模式见表3-3。
表3-3
3.3 基本动作操作方法
1. 调整增益用旋转开关
可以调整马达响应性能，选择0时，按照内部设定的参数值运行。选择1—F时，按照旋转开关的数值运行。
如果需要降低马达响应性能（平滑地运动时），将开关设定在较小值。 如果需要提高马达响应性能（快速地运动时），将开关设定在较大值。 2. 开关/参数设定有效切换
设定驱动器的动作是按照功能开关进行或者是按照参数设定进行。见图3-2，说明见表3-4。
3. 脉冲指令的输入设定
脉冲指令的输入方法，按照正转脉冲/反转脉冲输入和脉冲/方向信号输入进行切换。见图3-3，说明见表3-5。
4. 在线自动调整 在线自动调整见图3-4。
图3-2
ON OFF 图3-3
1
2
3 4 5 6 终止在线自动调整。将结果保存在
参数的惯性比（Pn103），进行运转。
实行在线自动调整。
ON OFF
图3-4
1 2 3
4 5
6 表3-4
ON OFF
5. 动态制动的设定
动态制动的设定见图3-5，说明见表3-6。
1
2
3
4 5 6 ON OFF
图3-5
表3-6