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基于PCC的伺服电机角度控制器的开发.doc
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基于PCC的伺服电机角度控制器的开发.doc
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摘 要
交流伺服控制技术在当今科技领域已日臻成熟,被广泛用于工业、农业生产和日常
生活等方面。其中对伺服电机的研究已成为现代伺服控制系统发展的新方向。另外,计
算机和伺服控制系统相结合也是近代交流伺服控制的一个重要研究方向。本文主要是对
伺服电机角度控制进行研究和设计,并针对伺服电机角度控制要求,利用 PCC 来完成
伺服电机的角度控制,主要从系统构成、软件配置、软件编程等几方面对伺服电机角度
控制器的开发进行研究。
关键词:伺服电机,伺服驱动,角度控制,PCC
ABSTRACT
AC servo control technology in today's scientific filed has matured. It has been widely
used in industry, agriculture and other aspects of production and daily life. Among this, the
research on servo motor has become a modern servo control system of the new direction of
development. In addition, the combination of computer and servo control system is an
important research direction of modern AC servo control system. This paper is a research on
angle control of servo motor and to use PCC to complete the research on angle control
according to the command of controlling motor angle.This paper mainly consists of system
structure,software configuration, software programming and other aspects of the servo motor
control to have a research on designing a system of angle control of motor.
Key words: servo motor, servo drive, angle control, PCC
目 录
1 绪论 .........................................................1
1.1 伺服系统简介.......................................................1
1.2 PCC 简介 ...........................................................2
2 主要硬件 .....................................................5
2.1 系统组成...........................................................5
2.2 系统连接...........................................................7
3.控制算法 .....................................................8
3.1 级联控制器.........................................................8
3.2 前馈位置控制器.....................................................8
3.3 速度控制器.........................................................9
3.4 电流控制器.........................................................9
3.5 理论上确定控制器参数...............................................9
4.软件配置及编程 ..............................................12
4.1 软件配置..........................................................12
4.2 角度控制..........................................................17
5.结论 ........................................................35
参考文献 ......................................................36
致 谢 ........................................................37
1 绪论
近年来,随着现代科学技术的飞速发展,造成人们对工农业生产的性能要求不断提
升,传统的生产控制系统已无法满足现代工业生产的需要,人们开始尝试开发其他新型
的伺服控制系统。目前现有的伺服电机控制系统主要是由 PLC 控制, PLC 伺服电机控
制系统主要是由硬件构成,硬件接线多而复杂,容易出错,所以有了很大的限制。
虽然 PCC 从诞生至今,只有 30 多年的历史,但已成为当今增长速度最快的工业自
动控制设备,它是通过模拟量的控制来完成的,这样就省去了接线的繁琐,硬件上取得
了很大的优势,所以基于 PCC 的伺服电机角度控制器的开发是对伺服控制系统的一次
新颖的尝试与改良。
1.1 伺服系统简介
伺服驱动系统(Servo System)简称伺服系统,是一种以机械位置或角度作为控制
对象的自动控制系统。它有交流系统和直流系统,在旋转运动中应用较广,通常是通过
电机上的旋转编码器输出速度和位置信号,将该信号送到计算机控制系统进行一系列处
理后实现自动调节,使其速度和位置快速跟踪设定值,为了达到快速和高精度,因而出
现了一系列的控制方法和策略(包括 PID),为了验证策略的正确性,又出现了许多仿
真,这就是所谓的软件处理。硬件上也作了大量的改进
[1]
。
从 70 年代后期到 80 年代初期,随着微处理器技术、大功率高性能半导体功率器件
技术和电机永磁材料制造工艺的发展及其性能价格比的日益提高,交流伺服技术—交流
伺服电机和交流伺服控制系统逐渐成为主导产品。交流伺服驱动技术已经成为工业领域
实现自动化的基础技术之一,并将逐渐取代直流伺服系统。而其中永磁同步电动机交流
伺服系统在技术上已趋于完全成熟,具备了十分优良的低速性能,并可实现弱磁高速控
制,拓宽了系统的调速范围,适应了高性能伺服驱动的要求。并且随着永磁材料性能的
大幅度提高和价格的降低,其在工业生产自动化领域中的应用将越来越广泛,目前已成
为交流伺服系统的主流。
我国从 1970 年代开始跟踪开发交流伺服技术,80 年代之后开始进入工业领域,直
到 2000 年,国产伺服停留在小批量、高价格、应用面狭窄的状态,技术水平和可靠性
难以满足工业需要。2000 年之后,随着中国变成世界工厂、制造业的快速发展为交流
伺服提供了越来越大的市场空间,国内几家单位开始推出自己品牌的交流伺服产品,比
如贝加 莱(B&R)工 业 自动 化 公司 推 出的 AcoposMulti 驱 动系 统 、艾默 生控制 技 术
(Emerson Control Techniques)公司展出了 Unidrive 及其他交、直流驱动器产品、Rockwell
Automation 公司的 PowerFlex 驱动技术、施奈德电气(Schneider Electric) 的 Lexium 05
型伺服控制器、包米勒(Baumuller)公司的带集成行星齿轮传动系的高性能伺服电机、安
川电机欧洲公司(Yaskawa Electric Europe,YEE) 的通用 Sigma II 型伺服电机等。而国
际厂商伺服产品每 5 年就会换代,新的功率器件或模块每 2~2.5 年就会更新一次,新
的软件算法则日新月异,总之产品生命周期越来越短。总结国内外伺服厂家的技术路线
和产品路线,结合市场需求的变化,可以看到以下一些最新发展趋势。
(1) 交流化
伺服技术将继续迅速地由直流伺服系统转向交流伺服系统。从目前国际市场的情况
看,几乎所有的新产品都是交流伺服系统。在工业发达国家,交流伺服电机的市场占有
率已经超过 80%。在国内生产交流伺服电机的厂家也越来越多,正在逐步地超过生产直
流伺服电机的厂家。可以预见,在不远的将来,除了在某些微型电机领域之外,交流伺
服电机将完全取代直流伺服电机。
(2) 全数字化
采用新型可编程控制器 PCC 可以代替以模拟电子器件为主的伺服控制单元,从而
实现完全数字化的伺服系统。全数字化的实现,将原有的硬件伺服控制变成了软件伺服
控制,从而使在伺服系统中应用现代控制理论的先进算法(如:最优控制、人工智能、
模糊控制、神经元网络等)成为可能。
(3) 智能化
现代交流伺服驱动器都具备参数记忆、故障自诊断和分析功能,绝大多数进口驱动
器都具备负载惯量测定和自动增益调整功能,有的可以自动辨识电机的参数,自动测定
编码器零位,有些则能自动进行振动抑止。将电子齿轮、电子凸轮、同步跟踪、插补运
动等控制功能和驱动结合在一起,对于伺服用户来说,则提供了更好的体验。
(4) 网络化和模块化
随着机器安全标准的不断发展,传统的故障诊断和保护技术(问题发生的时候判断
原因并采取措施避免故障扩大化)已经落伍,最新的产品嵌入了预测性维护技术,使得
人们可以通过 Internet 及时了解重要技术参数的动态趋势,并采取预防性措施。比如:
关注电流的升高,负载变化时评估尖峰电流,外壳或铁芯温度升高时监视温度传感器,
以及对电流波形发生的任何畸变保持警惕。
(5) 小型化和大型化
无论是永磁无刷伺服电机还是步进电机都积极向更小的尺寸发展,比如 20,28,
35mm 外径;同时也在发展更大功率和尺寸的机种,已经看到 500kW 永磁伺服电机的
出现。体现了向两极化发展的倾向。
1.2 PCC 简介
可编程计算机控制器(Programmable Computer Controller,简称 PCC)是集计算机技
术、通讯技术、自动控制技术为一体的新型工业控制装置。随着 3C 技术(计算机、通讯、
控制)的发展,新一代的 PCC 已能胜任集散控制和复杂的过程控制。其良好的兼容性、
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