运动控制系统技术报告.doc

运运 动动 控控 制制 系系 统统 技技 术术 报报 告告 扬州市职业大学机电 电气 汽检代表队扬州市职业大学机电 电气 汽检代表队 20122012 年年 0808 月月 第六届第六届 三菱电机自动化大赛三菱电机自动化大赛 I 目目 录录 第一章第一章 竞赛背景及要求竞赛背景及要求 1 1 1 11 1 系统研究背景系统研究背景 1 1 1 21 2 运动控制项目竞赛要求运动控制项目竞赛要求 1 1 第二章第二章 系统总体方案系统总体方案 3 3 第三章第三章 硬件系统技术方案硬件系统技术方案 5 5 3 13 1 机械系统设计机械系统设计 5 5 3 1 13 1 1 机械系统结构机械系统结构 5 5 3 1 23 1 2 机械系统元件清单机械系统元件清单 6 6 3 23 2 电气系统设计电气系统设计 6 6 3 2 13 2 1 接近开关选型接近开关选型 6 6 3 2 23 2 2 变频器选型变频器选型 7 7 3 2 33 2 3 变压器的选择与连接变压器的选择与连接 9 9 3 2 43 2 4 三相电机选型三相电机选型 9 9 3 2 53 2 5 伺服放大器选型伺服放大器选型 9 9 3 2 63 2 6 伺服电机选型伺服电机选型 1010 3 2 73 2 7 PLCPLC 选型选型 1010 3 2 83 2 8 人接界面人接界面选型选型 1111 3 2 93 2 9 系统电路设计与安装系统电路设计与安装 1111 3 2 93 2 9 电气元件清单电气元件清单 1313 第四章第四章 系统软件技术方案系统软件技术方案 1414 4 14 1 PLCPLC 软件设计软件设计 1414 4 1 14 1 1 程序流程图程序流程图 1414 4 1 24 1 2 软元件说明软元件说明 1414 4 1 34 1 3 梯形图设计梯形图设计 1515 4 24 2 GOTGOT 软件设计软件设计 1515 4 2 14 2 1 软元件分配软元件分配 1515 4 2 24 2 2 GOTGOT 画面设计和操作画面设计和操作 1515 第五章第五章 系统调试系统调试 1818 5 15 1 调试一般准则调试一般准则 1818 5 1 25 1 2 调试前准备调试前准备 1818 5 1 35 1 3 调试前的检查调试前的检查 1919 5 1 45 1 4 调试的一般顺序调试的一般顺序 1919 5 25 2 机械系统调试机械系统调试 1919 5 35 3 电气系统调试电气系统调试 2020 第六章第六章 总总 结结 2121 参考文献参考文献 2222 致致 谢谢 2323 附附 录录 2424 附录附录 A A 电器元件清单电器元件清单 2424 附录附录 B B 模糊控制表模糊控制表 2525 附录附录 C C 软元件表软元件表 2626 附录附录 D D 梯形图梯形图 2727 1 第一章第一章 竞赛背景及要求竞赛背景及要求 1 11 1 系统研究背景系统研究背景 加强学生创新意识 合作精神 实践能力培养 是当前高等教育教学 改革的重要内容之一 以竞赛为载体 推动大学生的课外科技活动 将对深入 开展高等学校教学改革 促进学生基础知识教育与综合能力培养 理论与实践 的有机结合等方面起到积极地推动作用 为此 三菱电机自动化 中国 有限 公司与中国各高校合作共同发起 每年开展一次面向高校在校学生 包括本科 生 研究生和高职生 的科技竞赛活动 三菱电机自动化杯 大学生自动 化大赛 为优秀人才脱颖而出创造条件 2012 年 第六届 三菱电机自动化杯 大学生自动化大赛 下设过程控 制和运动控制两个项目 1 21 2 运动控制项目竞赛要求运动控制项目竞赛要求 本控制方案依据2012年 第六届 三菱电机自动化杯 大学生自动化大 赛实施方案的要求命制 用自带设备安装调试由两台伺服电动机及一台变频电 机驱动的运动控制系统 1 系统配置 PLC 含定位模块或运动控制CPU 伺服驱动器 触摸屏 伺服电动机 两台 变频器和三相异步电动机 2 系统连接 从工作台的电源板用安全插线引出电源到电源端子排 3 基本控制要求 系统工作时 在工作盘放入磁钢 工作盘是由交流变频 器控制 磁钢大小 8 当工作盘转动时 XY 十字工作台的 X 轴下部安装的传 感器须一直能够对应磁钢 XY 轴随动 传感器保持检测到磁钢而不脱开 如果 脱开即告失败 从 A 点开始 即从 A 磁钢开始 传感器跟随 A 点磁钢转动一圈 后 移动到下一磁钢 B 点 以此类推 4 发挥部分 工作盘上放有 A B C 三个磁钢 在不同的半径上 由触 摸屏设定要跟随的磁钢 工作盘转动过程中变频器的频率在 10Hz 35Hz 手动调 2 节 XY 轴必须一直跟随指定的磁钢 定位系统模型见图 1 1 图 1 1 定位系统示意图 3 第二章第二章 系统总体方案系统总体方案 根据 2012 年第六届 三菱电机自动化杯 大学生自动化大赛暨自动化系统 应用竞赛运动控制项目示意图和任务书 设计完成了定位 追踪运动控制系统 依据本次大赛过程控制系统任务书所提控制要求 完成该任务需要用到的 主要电气设备有 GOT PLC 变频器 伺服放大器 伺服电机 三相交流电机 限位开关 开关电源其它低压电器设备 运动控制系统框图如图 2 1 所示 图 2 1 运动控制系统框图 根据大赛组委会运动控制方案要求 设计运动控制方案如下 1 手动控制 手动控制是根据 GOT 手动控制画面相应操作 控制定位笔在 X Y 轴上运动 用于机械结构的调试 2 自动控制 在自动控制模式下 系统启动后定位笔回归原点 原点回归标志接通 用 户通过 GOT 设定变频器的输出频率 PLC 通过 C Clink 通信模式与变频器通信 将控制信息传送给变频器 变频器按照相应输入控制三相电机的运转 在电机 运转的同时 PLC 通过伺服控制器控制定位笔在 X 轴上左右往复运动 寻找磁 4 钢 在寻到磁钢的同时 GOT 上的追踪指示灯点亮 伺服控制器控制定位笔追 踪小磁钢 3 追踪控制方案 本系统追踪过程中 反馈信号为开关信号 因此追踪控制过程运用开环控 制 追踪过程中 定位笔运动的速度与变频器驱动转盘的速度无确切的函数关 系 因此定位笔的速度有模糊控制表确定 模糊控制表见附录 B 5 第三章第三章 硬件系统技术方案硬件系统技术方案 3 13 1 机械系统设计机械系统设计 3 1 1 机械系统结构 运动控制系统的机械结构 主要由多功能工作台面 支架 XY 十字工作台 旋转工作台四部分组成 一 多功能工作台面 多功能工作台面长 1000cm 宽 720cm 用于固定十字工作台支架和旋转工 作台支架 二 型材支架 型材支架分为十字工作台支架和旋转工作台支架 1 十字工作台支架的四只脚之间组成长 630cm 宽 480cm 的长方形 固定 在多功能工作台面的左上方 支架上方固定着十字工作台 2 旋转工作台支架 旋转工作台支架固定在多功能工作台面上 上方固定着由于固定电机的固 定板 三 XY 十字工作台 XY 十字工作台由伺服电机控制 考虑到机械强度的问题 Y 轴有两个平行 轴固定 其中左侧的为主动驱动轴 右侧为从动轴 且 Y 轴两端装有行程开关 限定 X 轴左右运动范围 X 轴平面装有霍尔传感器 下方为旋转工作台 工作 盘由交流电机 电机的速度由变频器控制 带着转动 四 旋转工作台 旋转工作台由多孔工作盘和电机组成 多孔工作盘固定在电机 型号中大 电机 51K4OGN S3 自带减速箱 转轴上 电机通过固定板 固定在旋转工作台 支架上 实物图参看图 3 1 6 图 3 1 传动系统实物图 3 1 2 机械系统元件清单 机械系统元件清单见表 3 1 表 3 1 机械系统元件清单 机械系统元件清单 名称数量名称数量 多功能工作台面 1 电机固定盘 3 型材支架若干CCM 导轨组合 1 多空工作盘 1 固定螺丝若干 3 23 2 电气系统设计电气系统设计 3 2 1 接近开关选型 一 接近开关选择 选用霍尔接近开关 霍尔元件是一种磁敏元件 利用霍尔元件做成的开关 叫做霍尔开关 当磁性物件移近霍尔开关时 开关检测面上的霍尔元件因产生 霍尔效应而使开关内部电路状态发生变化 由此识别附近有磁性物体存在 进 而控制开关的通或断 7 2 霍尔接近开关的连接 霍尔接近开关的连接见图 3 2 图 3 2 接近开关连接图 3 2 2 变频器选型 一 变频器选型 由于实验室器材限制 变频器选用三菱 FR A700 系列 二 变频器设置 变频器的连接采用 NET 网络 运行模式 变频器外接 C Clink 通信模块 和可编程逻辑控制器的 C Clink 模块连接 将终端电阻开关设置成 100 连 接电缆是 C Clink 专用电缆 链接方便通讯简单 而且可以链接多台变频器 为后期硬件改善留有余量 变频器 C Clink 通信模块和 PLC 的 C Clink 模块端 子连接 见图 3 3 变频器的连接步骤 1 确认连接方法 2 准备接线 3 断开可编程逻辑 控制器的电源 4 连接 仅 FXon 485ADP 电源 5 通讯设备之间的接线 6 连接终端电阻 7 连接屏蔽线 8 图 3 3 C Clink 通信模块连接 3 变频器的参数设置 本系统设计不需要改变电机转矩控制 位置控制 对于速度控制如果用改 变电压来控制电机的转速会因电流增大而使电机发热 烧坏 因此保持输出电 压和频率的比率恒定的方式就是采用 V F 控制模式 采用 V F 控制对电机的要 求比较少 通用性比较好 适用低速调整 其他方式在本系统中 没有被采用 采用 V F 控制就满足本系统的要求 1 确认运行的现实以及运行模式的显示 确定已是停止运行状态 2 设定为参数设定模式 按下 MODE 键后 设置为参数设定模式 3 输入参数 转动 M 拨盘 对准 P79 按下 SET 键 转动 M 拨盘 将设定 直改为 6 按下 SET 完成输入参数 4 完成输入 按照步骤 3 将表 3 2 中的数据全部输入变频器 完成变 频器的参数设定 表 3 2 变频器参数设定表 参数编号设定值参数编号设定值 Pr796Pr5020 Pr3380Pr5410 Pr3390Pr5421 Pr34010Pr5430 Pr3490Pr54412 Pr50000Pr5509999 9 3 2 3 变压器的选择与连接 因选用 FR A700 型 变频器 额定输入 3PH AC200 220V 而赛场提供电源 为 AC 3PH 380V 所以应选用变压器 变压器输入三相 380V 输出为三项 200V 连接方式为进线端连接赛场提供三相电源 出线端连接变频器 3 2 4 三相电机选型 将水泵接到变频器的输出端子 U V W 输出端子即可 3 2 5 伺服放大器选型 伺服放大器也叫伺服控制器 是控制伺服电机转速的控制器 本系统采用 MR J3 10A MR J3 系列伺服放大器配有 USB 通用接口可方便和 PC 机的通讯 通 讯速度快 实时采集数据的能力非常强 运动控制系统中伺服放大器与 PLC 定位模块 QD75P2N 模块 用专用电缆 连接 两伺服放大器分别于定位模块的 A 轴和 B 轴 详细链接见图 3 4 图 3 4 伺服放大器连接图 10 3 2 6 伺服电机选型 伺服电机有两根外置电缆线 一根是电源线 将电源线连接到伺服放大器 的 U V W 端 另外一根是链接伺服放大器的编码线 CN3 编码线连接到伺服 放大器的 CN2 接口 3 2 7 PLC 选型 一 PLC 的选用 选用三菱 Q 系列 PLC 硬件配置见表 3 4 表 3 4 PLC 硬件配置表 模块说明 Q64PN 电源模块 Q04UDEHCPUCPU QD75P2N 定位模块 QX42 I O 输入模块 QY42P I O 输出模块 QJ61BT11N C CLINK 模块 二 PLC 的连接 PLC 可直接连接到电脑进行通讯 GOT 也可以直接连接到电