湖南省技工学校
理论教学教案
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2014-2015学年上学期第周第课时
益阳高级技工学校
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运动控制卡概述 ? ?主要特点 ?SMC6400B独立工作型高级4轴运动控制器 功能介绍: 高性能的独立工作型运动控制器以32位RISC为核心，控制4轴步进电机、伺服电机完成各种功能强大的单轴、多轴运动，可脱离PC机独立工作。 ●G代码编程 采用ISO国标标准G代码编程，易学易用。既可以在文本显示器、触摸屏上直接编写G代码，也可以在PC机上编程，然后通过USB通讯口或U盘下载至控制器。 ●示教编程 可以通过文本显示器、触摸屏进行轨迹示教，编写简单的轨迹控制程序，不需要学习任何编程语言。 ●USB通讯口和U盘接口 支持USB1.1全速通讯接口及U盘接口。可以通过USB接口从PC机下载用户程序、设置系统参数，也可用U盘拷贝程序。
●程序存储功能 程序存储器容量达32M，G代码程序最长可达5000行。 ●直线、圆弧插补及连续插补功能 具有任意2-4轴高速直线插补功能、任意2轴圆弧插补功能、连续插补功能。应用场合: 电子产品自动化加工、装配、测试 半导体、LCD自动加工、检测 激光切割、雕铣、打标设备 机器视觉及测量自动化 生物医学取样和处理设备 工业机器人 专用数控机床 特点: ■不需要PC机就可以独立工作 ■不需要学习VB、VC语言就可以编程 ■32位CPU, 60MHz, Rev1.0 ■脉冲输出速度最大达8MHz ■脉冲输出可选择: 脉冲/方向, 双脉冲 ■2-4轴直线插补 ■2轴圆弧插补 ■多轴连续插补 ■2种回零方式 ■梯型和S型速度曲线可编程
■多轴同步启动/停止 ■每轴提供限位、回零信号 ■每轴提供标准伺服电机控制信号 ■通用16位数字输入信号，有光电隔离 ■通用24位数字输出信号 ■提供文本显示器、触摸屏接口 技术规格: 运动控制参数 运动控制I/O 接口信号 通用数字 I/O 通用数字输入口 通用数字输出口 28路，光电隔离 28路，光电隔离，集电极开路输出 通讯接口协议
PLC发展概述 组别： 2 班级：41132 指导教师：王书青
目录： 1.PLC的诞生································ 2.PLC发展历史························· 3.国外PLC发展现状························ 4.国产PLC的发展现状··················· 5.PLC分类························ 6.PLC主要品牌······················ 7.PLC的未来发展······················
1、PLC的诞生 随着计算机控制技术的不断发展，可编程控制器的应用已广泛普及，成为自动化技术的重要组成。可编程控制器最先出现在美国，1968年，美国的汽车制造公司通用汽车公司(GM)提出了研制一种新型控制器的要求，并从用户角度提出新一代控制器应具备以下十大条件： （1）编程简单，可在现场修改程序； （2）维护方便，最好是插件式； （3）可靠性高于继电器控制柜； （4）体积小于继电器控制柜； （5）可将数据直接送入管理计算机； （6）在成本上可与继电器控制柜竞争； （7）输入可以是交流115V（即用美国的电网电压）； （8）输出为交流115V、2A以上，能直接驱动电磁阀； （9）在扩展时，原有系统只需要很小的变更； （10）用户程序存储器容量至少能扩展到4KB。 条件提出后，立即引起了开发热潮。1969年，美国数字设备公司（DEC）研制出了世界上第一台可编程序控制器，并应用于通用汽车公司的生产线上。当时叫可编程逻辑控制器PLC（ProgrammableLogicController），目的是用来取代继电器，以执行逻辑判断、计时、计数等顺序控制功能。紧接着，美国MODICON 公司也开发出同名的控制器，1971年，日本从美国引进了这项新技术，很快研制成了日本第一台可编程控制器。1973年，西欧国家也研制出他们的第一台可编程控制器。 2、PLC发展历史 起源：1968年美国通用汽车公司提出取代继电器控制装置的要求。1969年，美国数字设备公司研制出了第一台可编程控制器PDP—14，在美国通用汽车公司的生产线上试用成功，首次采用程序化的手段应用于电气控制，这是第一代可编程序控制器，称Programmable，是世界上公认的第一台PLC。 1969年，美国研制出世界第一台PDP-14
PLC发展概述 可编程控制器(Programmable Logical Controller)简称PLC，是一种以微处理器为基础，综合了现代计算机技术、自动控制技术和通信技术发展起来的一种通用的工业自动控制装置。它是从早期的继电器逻辑控制系统发展而来的，从最初的逻辑控制、顺序控制，发展为具有逻辑判断、定时、计数、记忆和算术运算、数据处理、联网通信及PID回路调节等功能的现代PLC。它具有可靠性高、模块化组合灵活、功能强、编程方便、适应工业环境、安装维护简单以及运行速度快等特点。由于它具有体积小、功能强、程序设计简单、维护方便等优点，特别是它适应恶劣工业环境的能力和它的高可靠性，使它的应用越来越广泛，已经被称为现代工业的三大支柱(即PLC、机器人和CAD／CAM)之一。 PLC是基于计算机技术和自动控制理论发展而来的，它既不同于普通的计算机，又不同于一般的计算机控制系统，作为一种特殊形式的计算机控制装置，它在系统结构，硬件组成，软件结构以及多通道用户界面等许多方面都有其特殊性。从原理上说，可编程控制器和计算机是一致的，为了和工业控制相适应，PLC采用扫描原理来工作。之所以采用这样的工作方式，是因为PLC是由继电器控制发展而来的，而CPU 扫描用户程序的时间远远短于继电器的动作时间，只要采用循环扫描的方法就可以解决其中的矛盾。循环扫描的工作方式是PLC区别于普通的计算机控制系统的一个重要方面。 虽然各种PLC的组成各不相同，但是在结构上是基本相同的，一般由CPU、存储器、输入输出设备(I/O)和其他可选部件组成。其他的可选部件包括编程器、外存储器、模拟I/O盘、通信接口、扩展接口等。CPU是PLC的核心，它用于输入各种指令，完成预定的任务起到了大脑的作用；存储器包括随机存储器RAM和只读存储器ROM，通常将程序以及所有的指定参数同化在ROM中，RAM则为程序运行提供了存储实时数据与计算中间变量的空间；输入输出系统(I/O)使过程状态和参数输入到PLC的通道以及实时控制信号输出的通道，这些通道可以有模拟量输入、模拟量输出、开关量输入、脉冲量输入等，使PLC的应用十分广泛。 今天的PLC已经开始用于闭环控制，不仅如此，随着其扩展能力和通信能力的发
1．直流电动机转速和其他参量之间的稳态关系？及调节电动机的转速有哪几种方法？2．生产机械的负载转矩特性有哪几种？ 3．常用的可控直流电源有几种？ 4．为了避免或减轻电流脉动的影响，需采用抑制电流脉动的措施，主要有哪几种方法？5．与V-M系统相比，直流PWM调速系统有哪些优越性？ 6．调速范围和静差率的定义是什么？调速范围、静差速降和额定速降之间有什么关系？为什么说脱离了调速系统，要满足给定的静差率也就容易得多？ 7．两个稳态性能指标是什么？ 8．开环调速系统的结构原理图？ 9．反馈控制规律。 10．采用旋转编码器的数字测速方法有三种：M、T和M/T法，适用范围？ 11．1-1~1-11题，1-13。 12．转速环和电流环的关系，分别采用什么类型的调节器？作用？ 13．双闭环直流调速系统的动态过程的三个阶段、三个特点、以及动态性能。14．双闭环直流调速系统的动态性能指标？抗扰性能指标？ 15．典型I和II系统的特点及调节的参数有哪些？ 16．双闭环直流调速系统调节成哪种类型？ 17．2-1~2-7第二章习题 交流异步电机 1．交流异步电动机的原理，从定子传输到转子的电磁功率Pm分成哪两部分？异步电动机可分为哪三类？ 2．异步电动机的调速方法？ 3．异步电动机的调压调速 4．异步电动机的变压变频调速的原理 5．简述异步电动机基频以下不同方式的电压-频率协调控制时的机械特性。 6．电压空间矢量PWM控制技术中空间矢量的定义？ 7．基本空间电压矢量有哪些？ 8．根据电压空间矢量合成的表达式，画出空间矢量图，在图中标出相应的参数，说明参数和矢量的意义，求零矢量的作用时间。 9．交流变频调速系统常用的三种控制策略为？ 10．异步电动机变频调速时，为何要电压协调控制？在整个调速范围内，保持电压恒定是否可行？为什么在基频以下时，采用恒压频比控制，而在基频以上保存电压恒定？11．异步电动机变频调速时，基频以下和基频以上分别属于恒功率还是恒转矩调速方式？为什么？所谓恒功率或恒转矩调速方式，是否指输出功率或转矩恒定？若不是，那么恒功率或恒转矩究竟是指什么？ 12．基频以下调速可以是恒压频比控制，恒定子磁通、恒气隙磁通和恒转子磁通的控制方式，从机械特性和系统实现两个方面分析与对比四种控制方法的优缺点。 13．采用SVPWM控制，用有效工作电压矢量合成期望的输出电压矢量，由于期望输出电压矢量是连续可调的，因此，定子磁链矢量轨迹可以是圆，这种说法是否正确？为什么？ 14．异步电动机的动态数学模型是一个高阶、非线性、强耦合的多变量系统。15．根据矢量图，写出旋转变换阵，当异步电动机达到稳态时，且dq坐标系与旋转磁动势同步时，两个坐标系中电流的本质区别。
PLC控制系统概述 1.1 PLC控制器S7-200简介 ---- S7-200 是一种小型的可编程序控制器，适用于各行各业，各种场合中的检测、监测及控制的自动化。S7-200系列的强大功能使其无论在独立运行中，或相连成网络皆能实现复杂控制功能。因此S7-200系列具有极高的性能/价格比。 ---- S7-200系列出色表现在以下几个方面： --------* 极高的可靠性 --------* 极丰富的指令集 --------* 易于掌握 --------* 便捷的操作 --------* 丰富的内置集成功能 --------* 实时特性 --------* 强劲的通讯能力 --------* 丰富的扩展模块 ----S7-200系列在集散自动化系统中充分发挥其强大功能。使用范围可覆盖从替代继电器的简单控制到更复杂的自动化控制。应用领域极为广泛，覆盖所有与自动检测，自动化控制有关的工业及民用领域，包括各种机床、机械、电力设施、民用设施、环境保护设备等等。如：冲压机床，磨床，印刷机械，橡胶化工机械，中央空调，电梯控制，运动系统。 CPU 224XP: 本机集成14输入/10输出共24个数字量I/O点，2输入/1输出共3个模拟量I/O点，可连接7个扩展模块，最大扩展值至168路数字量I/O点或38路模拟量I/O点。20K字节程序和数据存储空间，6个独立的高速计数器（100KHz），2个100KHz的高速脉冲输出，2个RS485通讯/编程口，具有PPI通讯协议、MPI通讯协议和自由方式通讯能力。本机还新增多种功能，如内置模拟量I/O,位控特性，自整定PID功能，线性斜坡脉冲指令，诊断LED，数据记录及配方功能等。是具有模拟量I/O和强大控制能力的新型CPU。 1.2 自控系统配套外围设备
1 绪论 电动机是用来拖动某种生产机械的动力设备，所以需要根据工艺要求调节其转速，而用于完成这项功能的自动控制系统就被陈为调速系统。目前调速系统分为交流调速和直流调速系统，由于直流调速系统的调速范围广、静差率小、稳定性好以及具有良好的动态性能，因此在相当长的时间内，高性能的调速系统几乎都采用直流调速系统，但近年来，随着电子工业与技术的发展，高性能的交流调速系统也日趋广泛。单闭环直流电机调速系统在现代生活中的应用越来越广泛，其良好的调速性能及低廉的价格越来越被大众接受。 1.1直流电机的调速方法和可控直流电源 直流调速系统是自动调速系统的主要形式, 它具有良好的起、制动性能，可以在较宽的调速范围内实现平滑调速，较快的动态响应过程，并且低速运转时力矩大这些极好的运行性能和控制特性，尽管直流调速系统中的直流电动机不如交流电动机]那样结构简单、制造和维护方便、价格便宜。但是长期以来，直流调速系统一直占据垄断地位。当然，近年来，随着计算机技术、电力电子技术和控制技术的发展，交流调速系统发展很快，在许多场合正逐渐取代直流调速系统。但是就目前来看，在纺织印染、造纸印刷、数控机床、光缆线缆设备、包装机械、电工机械、食品加工机械、橡胶机械、生物设备、焊接切割、轻工机械、物流输送设备、机车车辆、通讯设备、雷达设备，仍然广泛采用直流调速系统。而且，直流调速系统在理论上和实践上都比较成熟，从控制技术的角度来看，它又是交流调速系统的基础。因此，本书先着重讨论直流调速系统。 1.2课程设计目的 课程设计是在校学生素质教育的重要环节，是理论与实践相结合的桥梁和纽带。运动控制系统课程设计，要求学生更多的完成软硬结合的动手实践方案，解决目前学生课程设计过程中普遍存在的缺乏动手能力的现象. 《运动控制系统课程设计》是继《电子技术》、《电力电子技术》和《运动控制系统》课程之后开出的实践环节课程，其目的和任务是训练学生综合运用已学课程电子技术基础、电
运动控制（MC）是自动化的一个分支，运动控制起源于早期的伺服控制。简单地说，运动控制就是对机械运动部件的位置、速度等进行实时的控制管理，使其按照预期的运动轨迹和规定的运动参数进行运动。早期的运动控制技术主要是伴随着数控技术、机器人技术和工厂自动化技术的发展而发展的。 它使用通称为伺服机构的一些设备如液压泵，线性执行机或者是电机来控制机器的位置和或速度。运动控制在机器人和数控机床的领域内的应用要比在专用机器中的应用更复杂，因为后者运动形式更简单，通常被称为通用运动控制（GMC）。现在运动控制被广泛应用在包装、印刷、纺织和装配工业中。 按照所完成的制造任务的不同，机器运动控制分为： 点位控制和连续路径控制 ①点位控制:是在容许加速度和速度的条件下，尽可能快的由原 坐标位置运动到目 的坐标位置，而对于两点之间的轨迹没有精度要求的。 点位控制的功能是将工具或零件由源点运动到规定的目标点，以便在该点加工作业。因为从源点到目标点的运动过程中不进行加工作业，所以对运动路径没有要求。但是为了提 高效率，点位运动控制系统应在容许的加速度条件下，尽可能以最大速度完成这种运动过程。 ②连续路径控制:包括直线运动控制和曲线运动控制。对于轨迹 上的每一点坐标都具有一定的精度要求，不仅要求路径连续，
而且要求速度连续。 为了控制工具沿任意直线或曲线运动，必须同时控制每一个轴上的位置和速度，使得 它们同步协调到达目标点。对于这类控制，机床必须同时控制两个或者两个以上的轴。连续 路径控制系统不仅控制目标点，而且控制工具到达这些目标点的整个路径，以保证在整个加工过程中，工具始终接触工件并制造出希望的形状。 控制系统按照控制原理的不同可以分为开环和闭环两种控制系统 ①开环控制系统：系统输出只受输入的控制，控制精度和抑制 干扰的特性都比较差。开环控制系统中，基于按时序进行逻 辑控制的称为顺序控制系统；由顺序控制装置、检测元件、 执行机构和被控工业对象所组成。主要应用于机械、化工、 物料装卸运输等过程的控制以及机械手和生产自动线。 ②闭环控制系统：是建立在反馈原理基础之上的，利用输出量 同期望值的偏差对系统进行控制，可获得比较好的控制性能。 闭环控制系统又称反馈控制系统。
填空题 1?调节直流电动机的转速的方法：降压调速，弱磁调速，能耗调速。 2?编码器测电机转速的调节方法：M法（高速段），T法（低速段），MT法（中速段）。 3?硬度是指机械特性的斜率，一般说硬度大静差也大；但同样硬度的机械特性，随着其理想空载转速的降低，其静差率会随之增大，静差率是系统在某一转速下，负载由理想空载增加到额定值时的转速变化率：S=A Nn/N o 4?双闭环直流调速系统启动过程包括：电流上升，恒流升速，转速调节。 5?转速电流双闭环调速系统两个调节器采用的控制方式：PI调节器。 6?转速电流双闭环直流调速系统受干扰时，哪个调节器起作用？ 电网电压波动时：电流调节器。负载波动时：速度调节器。 7?常用的调节器为PI调节器，PI调节器的作用：可加速系统的动态响应过程，积分型消除偏差，静差。 8.V-M系统中串联有五个电抗器：分别是：平波电抗器（LD ） , LC1 , LC2 , LC3 , LC4，其作用是（1）为了避免直流电动机电枢电流断续（2）为了抑制瞬时脉动环流。 9?控制系统的动态性能指标：（1）跟随性能指标（2）抗扰性能指标。直流、交流调速系统 以：抗扰性能指标为主，而伺服系统的动态指标以：跟随性能指标为主。 10?自动系统的典型伯德图：低频段其特点是：斜率陡，增益高，说明系统的稳态精度高。 中频段其特点是斜率能覆盖足够的频带宽度，则系统的稳定性好。高频段其特点为：衰减越 快，说明系统的抗高频噪声干扰的能力越强。 11.双闭环直流调速系统的启动过程：电流的上升阶段，恒流升速阶段，转速调节阶段。 12?变压变频调速需要考虑：基频以下调速，恒转矩负载调速，基频以上调速，恒功率负载调速。13.异步电动机的动态数学模型是一个：高阶、非线性、强耦合的变量系统。 14?异步电动机的动态数学模型由：磁链方程，电压方程、转矩方程、运动方程组成。 15?异步电动机每个绕组的磁链是：自感磁链和互感磁链之和。 16.不同坐标系中电动机模型的等效原则是：在不同坐标下绕组所产生的合磁动势相等。三相绕组可以用：互相独立的两相正交对称绕组等效代替。 17?坐标变换有：3/2变换及其反变换和2s/2r变换及其反变换。 18.3/2变换将按2 n /3分布的三相绕组等效成互相垂直的两相绕组，消除了定子三相绕组间及其转子三相绕组间的相互耦合，减小了状态变量的维数，简化了定转子的自感矩阵。 19.2s/2r变换是用旋转绕组代替原来静止的定子绕组，并使等效的转子绕组与等效的定子绕组重合，且保持严格同步，等效后的定转子绕组间不存在相对运动。 20.2r/2s变换是将非线性耦合矛盾从磁链方程转移到电压方程，没有改变对象的非线性耦合程度。 21.旋转正交坐标系的优点在于增加了一个输入量，提高了系统控制的自由度。 22?异步电动机三相动态数学模型：磁链方程+电压方程+转矩方程+运动方程+约束条件。 23?转速电流双闭环常采用的控制方式：PI调节器。 24. 系统无静差采用：积分控制。系统能正常运行的首要条件是：稳定性。 25. 交-直-交变频器电路由三部分组成：整流，中间电路，逆变电路。 26. 变压变频调速基本原理：基频以下调速（恒转矩），基频以上调速（恒功率） 27. 系统在无静差的调速采用：积分控制消除静差。 28?机械特性越硬，静差率越小。 1调节直流电动机的转速有三种方法；a改变电枢回路电阻调速法(能耗调速)，减弱磁通调速法和调节 电枢电压调速法。 2静差率和调速范围有什么关系？静差率与机械特性硬度是一回事吗 答；D=(nNS/?n(1-s))不是一回事，静差率是用来衡量调速系统在负载变化下转速的稳定度的而机械特性硬度是用来衡量调速系统在负载变化下转速的降落的。 3泵升电压是怎样产生的？对系统有何影响？如何拟制/? 答：泵升电压是当电动机工作于回馈制动状态时，由于二极管整流器的单向导电性，使得电动机由动能
填空题 1.调节直流电动机的转速的方法：降压调速，弱磁调速，能耗调速。 2.编码器测电机转速的调节方法：M法（高速段），T法（低速段），MT法（中速段）。 3.硬度是指机械特性的斜率，一般说硬度大静差也大；但同样硬度的机械特性，随着其理想空载转速的降低，其静差率会随之增大，静差率是系统在某一转速下，负载由理想空载增加到额定值时的转速变化率：S=△Nn／N0 4.双闭环直流调速系统启动过程包括：电流上升，恒流升速，转速调节。 5.转速电流双闭环调速系统两个调节器采用的控制方式：PI调节器。 6.转速电流双闭环直流调速系统受干扰时，哪个调节器起作用？ 电网电压波动时：电流调节器。负载波动时：速度调节器。 7.常用的调节器为PI调节器，PI调节器的作用：可加速系统的动态响应过程，积分型消除偏差，静差。 8.V-M系统中串联有五个电抗器：分别是：平波电抗器（LD），LC1，LC2，LC3，LC4，其作用是（1）为了避免直流电动机电枢电流断续（2）为了抑制瞬时脉动环流。 9.控制系统的动态性能指标：（1）跟随性能指标（2）抗扰性能指标。直流、交流调速系统以：抗扰性能指标为主，而伺服系统的动态指标以：跟随性能指标为主。 10.自动系统的典型伯德图：低频段其特点是：斜率陡，增益高，说明系统的稳态精度高。中频段其特点是斜率能覆盖足够的频带宽度，则系统的稳定性好。高频段其特点为：衰减越快，说明系统的抗高频噪声干扰的能力越强。 11.双闭环直流调速系统的启动过程：电流的上升阶段，恒流升速阶段，转速调节阶段。 12.变压变频调速需要考虑：基频以下调速，恒转矩负载调速，基频以上调速，恒功率负载调速。 13.异步电动机的动态数学模型是一个：高阶、非线性、强耦合的变量系统。 14.异步电动机的动态数学模型由：磁链方程，电压方程、转矩方程、运动方程组成。 15.异步电动机每个绕组的磁链是：自感磁链和互感磁链之和。 16.不同坐标系中电动机模型的等效原则是：在不同坐标下绕组所产生的合磁动势相等。三相绕组可以用：互相独立的两相正交对称绕组等效代替。 17.坐标变换有：3/2变换及其反变换和2s/2r变换及其反变换。 18.3/2变换将按2π/3分布的三相绕组等效成互相垂直的两相绕组，消除了定子三相绕组间及其转子三相绕组间的相互耦合，减小了状态变量的维数，简化了定转子的自感矩阵。19.2s/2r变换是用旋转绕组代替原来静止的定子绕组，并使等效的转子绕组与等效的定子绕组重合，且保持严格同步，等效后的定转子绕组间不存在相对运动。 20.2r/2s变换是将非线性耦合矛盾从磁链方程转移到电压方程，没有改变对象的非线性耦合程度。 21.旋转正交坐标系的优点在于增加了一个输入量，提高了系统控制的自由度。 22.异步电动机三相动态数学模型：磁链方程+电压方程+转矩方程+运动方程+约束条件。 23.转速电流双闭环常采用的控制方式：PI调节器。 24.系统无静差采用：积分控制。系统能正常运行的首要条件是：稳定性。 25.交-直-交变频器电路由三部分组成：整流，中间电路，逆变电路。 26.变压变频调速基本原理：基频以下调速（恒转矩），基频以上调速（恒功率） 27.系统在无静差的调速采用：积分控制消除静差。 28.机械特性越硬，静差率越小。