基于伺服电机的自动化控制系统设计与实现

基于触摸屏、 PLC及伺服驱动器的伺服系统

摘要:由于现代科技的进展,自动伺服装置控制器已经在现代工业生产中获得了越来越普遍的使用。所以,进一步了解伺服装置控制器是十分关键的事。在现代工业中,制造流程的机械化与自动化也是一个很引人注目的议题。随着工业现代化的进展,生产自动化技术已成为了现代企业的关键支柱。在目前,很多食品和基本日用品都是分开打包的。为保证产品新鲜,需要产品自行打包,需要他们的编程工作在PLC,触摸屏和伺服发电机。但是,在现代产品中有着不同的生产环境,如高温、辐射功率、有毒气体、有害气体的产生和设备的安全运行。这些困难的生产环境不利于手动操作。PLC控制系统和变频器的设计解决了许多复杂的控制系统和维护问题，同时大大减少了人力，大大提高了工作效率。

关键词:触摸屏，PLC，伺服驱动器，伺服系统，现状分析.

一、引言

伺服系统,是指控制被控对象位移及转动角度的自动控制器，它能够自动、持续、精确地反映输入命令的变化。并随着微电子技术、功率和导体技术以及电机加工技术的进展,将高性能伺服系统应用于激光加工、机器人、数控车床、大规模集成电路生产、办公用自动化装置、雷达数据等高新技术领域。

二、触摸屏、PLC及伺服驱动器的现状

2.1、伺服系统组成

该系统主要由触摸屏、PLC、伺服电机和永磁同步伺服电机组成。伺服电机是一个可移动的执行器。为了满足用户的功能要求，伺服电机由三个周期控制：位置、速度和电流。 控制计划，系统设计方案采用交流变频技术和伺服驱动，以PLC为控制核心，通过计算线圈电压，实现对电压和伺服驱动器的自动控制。执行器执行多个电机的同步加速和减速。速度闭环由PLC、伺服驱动器和光电编码器组成。编码器将电机的实际速度返回给伺服驱动器，以补偿传输差异，在速度回路的前通道中设置与线圈直径相关的系数，以补偿惯性矩的变化，并且当线圈直径变化时，速度回路始终具有良好的动态特性。配置触摸屏的人机界面，实现对整机动作、工艺流程和工艺数据的数字化管理和控制。为了满足不同产品的要求，通过人机界面切割材料长度可以有效地完成控制任务，保证和提高产品质量和控制精度，并具有友好的用户界面。它可以促进外地工作人员的活动。

第1期(总第224期)

2021 年 2 月机 械 工 程 与 自 动 化

MECHANICAL ENGINEERING & AUTOMATIONNo1

Feb

文章编号= 1672-6413(2021)01-0158-03

基于LabVIEW的伺服电机测控系统设计

櫜

张日红，朱立学，杨松夏

(仲恺农业工程学院机电工程学院，广东广州510225)

摘要：伺服运动控制以其精准稳定的定位控制优势在工业机器人、机床自动化等方面得到了广泛应用。在

LabVIEW图形化编程开发环境下，通过调用研华PCI1245运动控制卡中的运动控制函数对4台交流伺服台

达电机进行了单独运行和联动运行的定位控制程序开发，该程序还可以实时动态地监控伺服电机的状态参

数。通过在实验室环境下的调试运行，验证了控制程序的有效性。

关键词：伺服电机；LabVIEW；测控系统

中图分类号

： TP273 文献标识码

： A

0引言

由于伺服电机的精度高、高速性能好、适应性强以

及运行稳定等优点，因而得到众多科研人员的青睐。

在机械运动控制研究领域中，伺服驱动控制是一个非

常重要的研究课题，也是一个非常综合性的研究课题,

其普遍应用于自动化CNC数控设备、自动化仪表车

床、纺织业以及生产加工与制造进程控制系统中，它关

系到机械电子工程、自动化控制以及计算机技术等学

科［3。与此同时，随着电子计算机应用技术的高速发

展,使得虚拟仪器也逐渐得到学术界和工业界的认同

及推广。伴随着运动控制卡等一系列硬件的开发，在

众多领域的研究、制造和开发中,LabVIEW虚拟仪器

测控程序得到了非常广泛的应用，通过LabVIEW编

程语言调用运动控制卡的内置函数对系统进行高精度

的控制是全新的控制方案。运用LabVIEW编程语言

进行由运动控制卡、伺服电机及其驱动器所组成的单

轴或多轴伺服控制系统开发具备系统调试方便、稳定

性高等优点［5。

1伺服电机控制系统的硬件配置

图 1 为单个伺服电机控制的硬件接 线 示意图 。 硬

交流伺服控制电机伺服电机控制原理

“伺服”一词源于希腊语“奴隶"的意思.“伺服电机"可以理解为绝对服从控制信号指挥的电机：在控制信号发出之前，转子静止不动；当控制信号发出时,转子立即转动；当控制信号消失时，转子能即时停转。

伺服电机是自动控制装置中被用作执行元件的微特电机，其功能是将电信号转换成转轴的角位移或角速度。

伺服电机分为交流伺服和直流伺服两大类

交流伺服电机的基本构造与交流感应电动机（异步电机)相似.在定子上有两个相空间位移90°电角度的励磁绕组Wf和控制绕组WcoWf，接恒定交流电压,利用施加到Wc上的交流电压或相位的变化,达到控制电机运行的目的。交流伺服电机具有运行稳定、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10％～15％和小于15%～25％)等特点。

直流伺服电机基本构造与一般直流电动机相似。电机转速n＝E／K1j＝（Ua－IaRa）／K1j，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φ,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φ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。

直流伺服电机的优点和缺点

优点：速度控制精确，转矩速度特性很硬，控制原理简单，使用方便，价格便宜。

缺点：电刷换向，速度限制，附加阻力，产生磨损微粒（无尘易爆环境不宜）

交流伺服电机的优点和缺点

优点:速度控制特性良好，在整个速度区内可实现平滑控制，几乎无振荡,90%以上的高效率,发热少，高速控制,高精确度位置控制（取决于编码器精度)，额定运行区域内,可实现恒力矩，惯量低，低噪音，无电刷磨损,免维护（适用于无尘、易爆环境）

缺点：控制较复杂,驱动器参数需要现场调整PID参数确定，需要更多的连线。

基于 PLC 的伺服电机运动控制系统设计

摘要：近年来，我国各个行业及领域广泛应用了PLC，对企业实现生产自动化奠定了重要的基础。特别是PLC伺服电机运行控制系统的设计及实施，使电机运动质量与效率得到了进一步提升。本文结合PLC伺服电机运行控制系统设计标准，以S7-1200为例，利用对程序与硬件的设计，保证了运动控制的精准性。

关键词：PLC；伺服电机；运行控制

前言：伺服电机具有多重优点，如扛过载能力强、运行稳定、高速性能好以及精准度高等，已广泛应用在企业生产中。但由于伺服电机大多使用的是NC数控系统，不仅运行成本高，且控制系统极为复杂，无法有效对接以PLC为主的控制器生产线，使得经济效益不是十分可观。故而，在生产自动化水平的进一步提升下，为了最大程度保障产品精度性，就必须重视基础设计，通过对伺服电机运行控制准确性的提升，全面改善系统的生产效率与性能，从而实现经济效益最大化，降低企业的生产成本。

1基于PLC伺服电机控制系统设计分析

PLC控制系统是一种专门用于工业生产的数字运算操作电子装置，其应用了一类可编程存储器，可满足内部存储、执行逻辑运算、顺序控制、定时、技术以及算数操作等要求，可以说是工业控制的核心。就我国工业生产现状来看，大部分依然是采用的步进电机运动系统，其应用的步进电机步距角最小为0.36°（与电机转动一圈需要1000个脉冲相当），精度比较低，并且经常会出现失步问题，难以满足高精度生产工艺。相比来讲伺服电机无论是在精度、速度、抗过载性能、响应速度、运行稳定性以及运行温度等方面均具有更大优势。基于PLC进行伺服电机控制系统的设计，可以在原来的步进电机运动系统基础上，做进一步的优化，使得系统能够更好的适应高精度生产要求。其中需要就目前所应用NC数控系统进行优化，解决其与PLC主控制器生产线无法有效对接的难题，满足高效生产的核心要求。 2伺服电机控制系统分析

2.1运行控制模型

如图1所示，伺服电机运行控制模型可用于构建伺服电机运动控制系统。光电传感器由SQ05和SQ1表示，处于运动控制的左右极限；微动开关由SQ7和SQ2表示，位于运动轴的左右极限；NPN感应式传感器以SQ4、SQ3和SQ2为表示，可实现金属滑块位置的感应测量。