學號 127301132 蘇州市職業大學 畢業設計 題目題目 基于 D425 的兩軸控制系統設計與調試 學生姓名 吳波 專業班級 12 電氣自動化技術 1 班 學院 部 電子信息工程學院 校內指導教師 鄧建平 副教授 校外指導教師 熊元平 生產部經理 完成日期 2015 年 5 月 摘摘 要要 運動控制 簡而言之 運動控制是機械傳動裝置由計算機控制的 但也可以 說是機械運動部件的速度和位置控制 完成相應的操作根據規定軌跡和運動參 數 計算機技術和微電子技術的發展 促進機電一體化技術的進步 因此 運動 控制技術也發展迅速 新產品和新技術 各種運動控制的出現在一條連續的線 產品結構和生產結構的變化 本文主要是運用西門子 D425 模塊 simotion D 系統控制伺服電機的速度 相對運動的速度與速度比 實現對伺服電機的高精度控制 傳感器能夠準確的 反饋電機的運行狀態 關鍵詞 兩軸控制 伺服驅動 D425 蘇州市職業大學電子信息工程學院畢業設計 1 AbstractAbstract Servo control In short motion control is a mechanical drive device controlled by the computer but also can be said to control the speed and position of moving mechanical parts to complete the corresponding operation according to the provisions of the trajectory and motion parameters Therefore the motion control technology is also developing rapidly new products and new technology the emergence of a variety of motion control in a continuous line This article mainly is to use Siemens D425 module system simotion D control servo motor to complete a predetermined orbit Keywords two axis control servo drive D425 目目 錄錄 1 1 概述概述 1 1 1 伺服控制系統應用現狀 1 1 1 1 運動控制技術的發展現狀 1 1 1 2 典型運動控制技術應用現狀 2 1 2 西門子 D4XX 系列運動控制模塊 3 1 3 SIMOTION 運動控制系統 4 1 4 本課題的實驗意義 4 1 5 論文內容及主要工作 5 2 2 硬件系統設計硬件系統設計 6 2 1 方案設計 6 2 2 運動控制系統選型 7 2 2 1 西門子 D4 系列選型 7 2 2 2 伺服電機選型 8 3 3 軟件系統設計軟件系統設計 12 3 1 方案設計 12 3 2 組態建立 12 3 3SIMOTION D 軸配置 14 3 4 編程 16 3 5 測試程序運行 22 結論結論 23 致謝致謝 24 參考文獻參考文獻 25 蘇州市職業大學電子信息工程學院畢業設計 1 1 1 概述概述 1 11 1 伺服控制系統應用現狀伺服控制系統應用現狀 1 1 1 1 1 1 運動控制技術的發展現狀運動控制技術的發展現狀 運動控制系統是機械運動的驅動裝置 電機為控制對象 控制器為核心 與執行器 電力電子裝置的電力改造 電氣傳動控制系統的引導下自動控制理 論 這種系統來控制電機的轉矩 速度和角度 將電能轉換成機械能 進行機 械運動要求的運動 在電氣時代 汽車已在現代化的生產和生活中起著非常重要的作用 不僅 在交通運輸 醫療保健 商業和辦公 并在家電和消費電子產品 各種電機的 廣泛應用 從直流到交流電機控制系統 開環閉環 從模擬到數字 是基于網 絡的發展過程中 PC 機和運動控制的伺服控制系統 每個進程的發展在很大程度 上 促進了運動控制系統的發展 近年來 伺服驅動控制的產品開始走向了機械類的舞臺上 所以機械了的 產品的數量和質量成為了我們最關心的問題 因此 近年來許多廠商開始使用 通用伺服驅動控制系統 使得通用伺服驅動控制產品在之前許多冷門的產業中 逐漸的發展起來了 1 1 21 1 2 典型運動控制技術應用現狀典型運動控制技術應用現狀 隨著機電一體化技術的發展 運動控制技術越來越受到重視 各種運動控 制的新技術 新產品層出不窮 下面列舉幾種有代表性的運動控制技術 1 全閉環交流伺服驅動技術 在某些要求的定位精度和機電一體化產品的動態響應 范圍廣泛的數字交 流伺服系統中的應用 采樣后的光電編碼器的電機驅動軸端的位置伺服系統 提供位置和速度的驅動器和電機之間的閉環控制系統 位置控制區分好和良好 蘇州市職業大學電子信息工程學院畢業設計 2 的可靠性之間 最近 日本一家公司推出了全新的 以實現全閉環數字伺服系統 的高精度 由于直接驅動 避免了啟動電機 變頻調速 并與彈性變形 摩擦 磨損和間隙滯后的中間傳動環節 大大提高了傳動剛度 2 直線電機驅動技術 最近 直線電機在機床進給伺服系統中的應用 已經成為世界關注的機床 工具行業 在機床進給系統中 驅動方式是所謂的零傳動 這是因為零傳動 方式 達到原來的旋轉電機驅動方式不能滿足良好的性能和特點 第一 快速 響應 高精度 直線驅動系統由于機械機構如螺絲被取消 以減少進入補時階 段跟蹤誤差由于傳動系統滯后引起的傳動誤差 從而大大提高機床的定位精度 三傳動剛度大 由于直接驅動 避免了啟動電機 變頻調速 并與彈性變形 摩擦磨損和間隙滯后的中間傳動環節 大大提高了傳動剛度 第四 速度和減 速過程短 五 行程長度不受限制 通過串聯線性電機導軌上 可延長行程長 度 六是安靜的 運動如取消機械摩擦螺桿零件 并引導和滾動導軌可以使用 或磁浮軌道 運行時的噪音大大降低 七效率高 這樣的系統被廣泛應用在磁 懸浮列車 高精密機床和其他設備 3 可編程計算機控制器技術 繼電器控制系統的優點結構簡單 價格低廉 抗干擾能力強 至今還在許多 簡單的機械設備中使用 但繼電器控制系統也有缺點如靈活性差 另外 機械 性觸點的工作頻率低 易損壞 隨著電氣控制系統的發展可編程計算機控制器 出現了 可編程計算機控制器是應用掃描周期與實際周期間隔從外部控制房 滿足實時控制的要求 傳統的單任務主要掃描時鐘 使用 PLC 監控程序要處理或 邏輯操作指令與程序本身和外部狀態刷新 I O 通道采集和處理 直接搜索 LED 控制速度在實際意義上是依賴于應用程序的大小 結果當然是與 I O 通道在高 速實時控制的要求 它使用一個時間共享機制的構建 multitask ITS 應用軟件 平臺的運動 這樣應用程序的運行周期的長度有什么做的程序 但確定的是由 操作系統的周期 它想 因此 應用掃描周期與實際周期間隔從外部控制房 滿足實時控制的要求 基于 PCC 操作系統 多任務的應用模塊 應用軟件開發 項目帶大的便利 因為它可以很容易根據不同的功能要求的部件的控制項目 蘇州市職業大學電子信息工程學院畢業設計 3 如運動控制 數據采集 告警 PI D 算術來調整 控制程序和通信控制模塊的 模塊是由分別獨立運行 論文和一些相關數據和論文保鮮后降壓模塊之間的獨 立機構和調試 你可以下載到 CPU 的 PCC 在多任務操作系統在調度管理運行 在并行 實現控制要求的項目 PCC 的強大優勢在工業控制和可編程控制器 embodies 工業控制計算機和分布式工業控制系統 DCS 融合科技發展的趨勢 雖然這仍然是相對年輕的一年新的科技 但其發展潛力不能小視 1 21 2 西門子西門子 D4XXD4XX 系列運動控制模塊系列運動控制模塊 西門子 D425 運動控制模塊 西門子 D435 運動控制模塊 西門子 D445 運動控 制模塊 SIMOTION D425SIMOTION D435SIMOTION D445 1 最大軸數163264 插補循環時鐘2 0 ms1 0 ms0 5 ms DRIVE CliQ 接口數44 6 其中的顯示和診斷用于顯示運行狀態和錯誤的 LED 含有 3 測量接口 并且有維護開關和模式選擇開關 內置 I O8 點數字量輸入 通訊接口為 2 x PRO FIBUS DP 和 2 x USB 附加接口 非數據傳輸 24V 電子電源端子 數據備份 可存儲至少 5 天 1 31 3 SimotionSimotion 運動控制系統運動控制系統 在許多機械制造領域中都有一個原則 尤其是依靠運動控制的機器 其運 動越復雜 對速度及精度的要求也越高 之前這些運動任務是有機系原件以及若干電子裝置來完成 但是如果我們 想使功能有稍微的變化都意味著我們要更換元件 新的結構 配置 參數設置及編 程 全面的自動化系統可以取代這些獨立與元件 它可以針對不同任務提供相 應的解決方案 如圖 1 1 所示系統性的電子元件代替傳統的機械元件 蘇州市職業大學電子信息工程學院畢業設計 4 圖圖 1 11 1 元件圖元件圖 1 41 4 本課題的意義本課題的意義 通過采用西門子先進運動控制系統的實驗設備 實現了伺服電機的基本運 動功能 具體有以下幾點 1 定位精度高 定位系統通過西門子集成的控制模塊 能夠對伺服電機進行高精度的 控制 實現精準的定位 2 操作簡單 3 實時監控 伺服電機自帶的傳感器能夠準確的反饋電機的運行狀態以及位置 1 51 5 論文內容及主要工作論文內容及主要工作 西門子 D425 運動控制系統的組態及設計 本課題以西門子的先進運動控制系統設備為平臺 并通過伺服驅動控制器 進一步控制伺服電機 利用西門子的軟件 對系統的硬件及軟件進行組態 并 且將觸摸屏添加到系統中 最終實現利用觸摸屏來控制伺服電機 西門子 D425 運動控制系統實現基本運動功能 基于之前的系統組態 在軟件中進行編程 控制伺服電機的速度 相對運 動的速度與位置 絕對運動的速度與位置以及同步運動的速度與速度比 實現 了基運動功能 蘇州市職業大學電子信息工程學院畢業設計 5 2 2 硬件系統設計硬件系統設計 2 12 1 方案設計方案設計 本課題以西門子的先進運動控制系統設備為平臺 并通過伺服驅動控制器進一步 控制伺服電機 利用西門子 D425 對系統的硬件及軟件進行組態 并且將觸摸屏添加 到系統中 最終要能夠實現控制伺服電機的速度和相對速度 實現對伺服電機的高精 度控制 傳感器要能夠準確的反饋伺服電機的運行狀態 觸摸屏要能夠體現整個運動 控制系統的數據變化 并且能夠準確的控制電機 圖 2 1 方案設計 蘇州市職業大學電子信息工程學院畢業設計 6 2 2 2 2 運動控制系統選型運動控制系統選型 2 212 21 西門子西門子 D4D4 系列選型系列選型 作為運動控制系統的代表 西門子將邏輯控制 運動控制 定位 同步等 以及工藝控制 壓力 溫度控制等 集成在同一個系統中 西門子提供了三種 硬件平臺 用于控制器的 SIMOTION C 平臺 用于驅動器的 SIMOTION D 平臺 用于 PC 的 SIMOTION P 平臺 圖 2 2 D4XX 實物圖 基于驅動的 SIMOTION 方案 至少有下列四件組件組成 SIMOTION D 控制模塊 SINAMICS S120 組件 電源模塊 功率模塊等 DRIVE CLIQ 通訊電纜 SIMOTION SCOUT 調試軟件 根據以上原則本課題選用 D425 控制模塊 蘇州市職業大學電子信息工程學院畢業設計 7 圖 2 3 D425 接口 2 22 2 2 2 伺服電機選型伺服電機選型 在自動控制系統中 伺服電機為執行元件 它的作用是接收信號到一定速 度的電機或角位移 伺服電動機可分為直流和交流 容量一般在 0 1 100 W 的伺服電機控制系統的要求是 具有較大的速度范圍 響應速度快 線性調節 特性和機械特性 沒有旋轉線現象 根據上述原則 本課題選擇了西門子 1FK7 系列 1 電機 1 電機 1FK7 系列 是高度緊湊的永磁同步電機 根據不同的應用 可以選擇相應的編碼器 可以 滿足用戶對機器的要求精益求精 1FK7 系列電機 1 只自然空氣冷卻 無需外部 冷卻系統 通過電機表面熱 1 1FK7 電機具有較強的過載能力 它具有以下優 點 高功率密度 用途廣泛 型號齊全 極低的轉動慣量 高動態響應 圖 2 4 交流伺服電機工作原理圖 蘇州市職業大學電子信息工程學院畢業設計 8 電氣電路圖 如下圖所示 圖 2 5 端子排 圖 2 6 伺服電機 蘇州市職業大學電子信息工程學院畢業設計 9 圖 2 7S120 模塊 蘇州市職業大學電子信息工程學院畢業設計 10 3 3 軟件系統設計軟件系統設計 3 13 1 方案設計方案設計 圖 3 1 軟件流程圖設計 3 23 2組態建立組態建立 1 通訊接口 如圖 3 2 蘇州市職業大學電子信息工程學院畢業設計 11 圖 3 2 訊接口 3 如圖所示 對調試 PC 機的 IP 地址進行設定 4 配置 PG PC 的 IP 地址 應于上圖設定一致與 simotion 在同一網段 并分配 通訊節點如圖 3 3 3 4 圖 3 3 置 IP 地址 蘇州市職業大學電子信息工程學院畢業設計 12 圖 3 4 置 IP 地址 設置通訊接口 選擇 option PG PC interface 命令 設置 PG PC 接口與上面一致 如 圖 3 5 圖 3 5 訊接口設置 編譯并下載 simotionD 組態 在與集成的 Sinamics 聯機前必須要下載組態 出現提示 選擇 NO 后關 閉硬件組態對話框 蘇州市職業大學電子信息工程學院畢業設計 13 3 3Simotion3 3Simotion D D 軸配置軸配置 在 Name 欄中輸入軸的名稱 選擇軸的控制方式 位置方式 速度方式 同步操作方式 1 選擇軸的類型 直線軸或旋轉軸 圖 3 6 的類型選擇 2 選擇軸的驅動單元和數據傳送的報文格式點擊 Data transfer from the drive 按鈕將驅動器參數傳送 3 編碼器信息 圖 3 7 碼器信息 完成軸的配置 蘇州市職業大學電子信息工程學院畢業設計 14 使用 Control panel 調試軸參數設置如圖 3 8 所示 電機可 運行 圖 3 8 調試軸參數設置 Simotion D 運動控制程序 程序分配如下 1 MoveAxis 程序控制單元的建立 雙擊 Insert LAD FBD unit 插入 MoveAxis 程序控制單元 2 在 MoveAxis 程序控制單元中建立變量 雙擊 MoveAxis 程序控制單元 出現一個變量表 在此建 立新變量 3 雙擊 Insert LAD FBD program 生成一個新的 LAD 程序 4 在 poweraxis 程序中插入 軸使能命令 圖 3 9 的 LAD 程序 蘇州市職業大學電子信息工程學院畢業設計 15 5 建立 HomeAxis 軸的回零點控制程序 在這個程序中插入軸的回零點 控制 功能塊 mc home 如圖 3 10 圖 3 10 零點控制 6 建立 move 軸的絕對定位及相對定位控制程序 在這個程序中插入軸 的絕對定位功能塊 MC moveAbsolute 和相對定位功能塊 MC MoveRelative blueabsoluteexec 是 True Axis Blue 軸以 Velocity 中設置的速度 以絕對定位方式運行至 blueposition 設 定的位置 blucrelativeExecute 是 True Axis Blue 軸以 Velocity 中 設定的速度 以相對定位方式運行 relativedistance 設置的距離 將 D425 中程序下載后將系統模式改為 RUN 即可運行 3 43 4 編程編程 1 程序分配如下 MMC 1 控制軸 1 Axis 1 絕對編碼器 回到 0 度 軸 2 Axis 2 增量方式運行一個 0 5 度的增量定位 將坐標置 0 方便演示裝置的齒輪 對齊 MMC 2 電子齒輪功能演示 蘇州市職業大學電子信息工程學院畢業設計 16 MMC 3 故障處理程序 MMC BK 主控程序 啟動齒輪對齊功能和電子齒輪功能 1 MCCQue 1 程序控制單元建立 雙擊 Insert MCC unit 插入 MCCQue 1 程序控制單元 2 MMC 1 控制程序建立 雙擊 Insert MCC chart 生成一個新的 MCC 程序 MMC 1 如圖 3 8 圖 3 11 MC 1 控制程序建立 3 雙擊新插入的命令圖標 選擇 Axis 1 然后同樣的方式插入 Axis 2 使能命令 如圖 3 9 圖 3 12 Axis 2 使能命令 編譯 MCC 1 檢查是否正確 3 12 蘇州市職業大學電子信息工程學院畢業設計 17 圖 3 13 編譯檢查 MCC 2 程序編寫參照 MCC 1 圖 3 14MCC 2 程序編寫 2 參數設置 蘇州市職業大學電子信息工程學院畢業設計 18 圖 3 15 數設置 圖 3 16 數設置 3 編寫主控程序 使用 變量監控表 來調試和控制程序運行 定義兩個全局變量 Start Gearing 和 Axis 2 adjust 蘇州市職業大學電子信息工程學院畢業設計 19 圖 3 17 變量監控表 編寫 MMC BK 圖 3 18 配制程序 把程序分配到程序系統中執行 編譯所有程序 蘇州市職業大學電子信息工程學院畢業設計 20 圖 3 19 程序編譯 圖 3 20 程序編譯 同上 把 MMC 2 給 MotionTask2 把 MMC 3 給 TechnologicalFaultTask 和 PerihperalFaultTask 把 MMC BK 給 BackGroundTask 選擇 Close 按鈕存儲執行系統設置 注意 Simotion 使用實時操作系統的該念 執行系統中 BackgroundTask 任務唄操作系統周期調用 作用相 當于 STEP7 中的 OB1 BackgroundTask 任務中等待的指令是不可以 使用的 否則會造成系統死機 TechnologicalFaultTask 任務是當系統出現報警是被調用 PerihperalFaultTask 是外部 I O 出錯時被調用 如果這兩個任務 蘇州市職業大學電子信息工程學院畢業設計 21 沒有程序系統會停機 所以把 MMC 3 分配給這兩個任務 Motiontask 啟動一個運動任務 列 定位 Motiontask 和 BackgroundTask 不同 Motiontask 被調用后只會執行一次 該任 務可以使用等待指令在執行中無限期等待 但執行后不會自動再次執行 蘇州市職業大學電子信息工程學院畢業設計 22 3 53 5 測試程序運行測試程序運行 圖 3 20 程序運行 使用 變量監控表 控制程序運行 使用 Ope rating 控制面板 將 運行狀態 STOP 改為 RUN 將 axis 2 adjust 置為 1 由于程序自動復位該變量 導致看不 到看不到該變量為 1 每置一次 1 軸 2 將向前運動 0 5 度 直到軸 1 2 的齒輪相對到齒合位置 同上 置位變量 Start Gearing 為 1 可以啟動電子齒輪運動 蘇州市職業大學電子信息工程學院畢業設計 23 結論結論 基于西門子 D425 的設計 采用了西門子 D425 運動控制模塊 結合西門子最新一代的 伺服驅動控制器 對伺服電機進行定位功能的控制 實現了基本的伺服電機的運動功能 同時用西門子 TP177B 型號的觸摸屏代替軟件控制伺服電機的速度 位置 是系統更加的 人性化 易于操作 系統運行穩定 本課題還有以下幾個方面可以完善 1 伺服電機的運動曲線 將伺服電機的實時運動曲線添加到觸摸屏上 可以更加直觀的看到電機的運行位置 方便改變電機的速度 提高控制效果 2 伺服電機的位置同步 在本課題中 伺服電機的同步運動只是簡單的做了速度上的同步 可以進一步研究控 制電機的位置同步 3 伺服電機的獨立控制 相對運動或者絕對運動中 伺服電機只有一個可以控制 可以改變觸摸屏的編程 實 現對每一個伺服電機都能進行相對運動和絕對運動的控制 蘇州市職業大學電子信息工程學院畢業設計 24 致謝致謝 很感謝我的指導老師鄧建平 他是一位性格溫和 和藹可親的老師 總是 耐心的指導我 為我點播迷津 在我的畢業設計做做過程中 付出了很多的辛 勞 本課題從選材上到題目的確定 然后是搜集資料都是在鄧老師的幫助下完成的 因為我這個設計工作量很大 前期需要花很多的時間去完成 做畢業設計之前 對 D425 是不怎么了解的 然后鄧老師耐心的給我們講解 從最基礎的開始 然后還給了我們許多的資料跟視頻 前期的工作好壞直接關系到做實驗時的好 壞 所以前期我一直在很努力的看資料 就怕到時候跟不上節奏 不過在鄧老 師的幫助下 我還是把一些概念性的東西弄懂了 這樣才好著手后面的設計 最后在鄧老師的幫助下終于完成了我的畢業設計 感激之情溢于言表 還有我的任課老師 他們也