基于PCC伺服系統(tǒng)的PID控制研究論文

54摘 要交流伺服控制技術(shù)在當今科技領(lǐng)域已日臻成熟，被廣泛用于工業(yè)、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和日常生活等方面。其中對伺服電機的研究已成為現(xiàn)代伺服控制系統(tǒng)發(fā)展的新方向。另外，計算機和伺服控制系統(tǒng)相結(jié)合也是近代交流伺服控制的一個重要研究方向。本文主要是對伺服電機速度控制進行研究和設(shè)計，并針對伺服電機速度控制，利用可編程控制器（PCC）來完成伺服電機的PID控制，主要從系統(tǒng)組成、軟件配置、軟件編程等幾方面對伺服電機速度控制器的開發(fā)進行研究。關(guān)鍵詞：伺服驅(qū)動，PID控制，可編程控制器（PCC），伺服控制器（ACOPOS）ABSTRACTAC 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 a programmable computer controller (PCC) to complete the research on angle control according to 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 drive, PID control, programmable computer controller (PCC), servo controller (ACOPOS)目 錄1 緒論12.PCC與ACOPOS簡介42.1 可編程計算機控制器（PCC）3, 4, 642.2 伺服控制器（ACOPOS）52.3理論上確定控制器參數(shù)73.主要硬件103.1 系統(tǒng)組成103.2 系統(tǒng)連接114.軟件配置134.1 硬件分配134.2 軟件配置165.程序設(shè)計235.1 PLCopen與ACP10_MC235.2 ACP10_MC功能函數(shù)介紹235.3 程序設(shè)計246.NC Test316.1 NC 基本運動336.2 速度控制346.3 PID自整定387.結(jié)論41參考文獻42附錄43致 謝551 緒論近年來，隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，造成人們對工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的性能要求不斷提升，傳統(tǒng)的生產(chǎn)控制系統(tǒng)已無法滿足現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)的需要，開始嘗試開發(fā)其他新型的伺服控制系統(tǒng)。目前現(xiàn)有的伺服電機控制系統(tǒng)主要是由PLC控制， PLC伺服電機控制系統(tǒng)主要是由硬件構(gòu)成，硬件接線多而復(fù)雜，容易出錯，所以有了很大的限制。雖然PCC從誕生至今，只有30多年的歷史，但已成為當今增長速度最快的工業(yè)自動控制設(shè)備，它由PLC發(fā)展而來，但在硬件和軟件上與PLC相比都有很大優(yōu)勢，所以基于PCC的伺服電機速度控制器的開發(fā)是對伺服控制系統(tǒng)的一次新穎的嘗試與改良1。1.1 伺服系統(tǒng)及其發(fā)展概況1, 5,19伺服驅(qū)動系統(tǒng)（Servo System）簡稱伺服系統(tǒng)，是一種以機械位置或速度作為控制對象的自動控制系統(tǒng)。它有交流系統(tǒng)和直流系統(tǒng)，在旋轉(zhuǎn)運動中應(yīng)用較廣，通常是通過電機上的旋轉(zhuǎn)編碼器輸出速度和位置信號，將該信號送到計算機控制系統(tǒng)進行一系列處理后實現(xiàn)自動調(diào)節(jié)，使其速度和位置快速跟蹤設(shè)定值，為了達到快速和高精度，因而出現(xiàn)了一系列的控制方法和策略（包括PID），為了驗證策略的正確性，又出現(xiàn)了許多仿真，這就是所謂的軟件處理。硬件上也作了大量的改進。從70年代后期到80年代初期，隨著微處理器技術(shù)、大功率高性能半導(dǎo)體功率器件技術(shù)和電機永磁材料制造工藝的發(fā)展及其性能價格比的日益提高，交流伺服技術(shù)交流伺服電機和交流伺服控制系統(tǒng)逐漸成為主導(dǎo)產(chǎn)品。交流伺服驅(qū)動技術(shù)已經(jīng)成為工業(yè)領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)自動化的基礎(chǔ)技術(shù)之一，并將逐漸取代直流伺服系統(tǒng)。而其中永磁同步電動機交流伺服系統(tǒng)在技術(shù)上已趨于完全成熟，具備了十分優(yōu)良的低速性能，并可實現(xiàn)弱磁高速控制，拓寬了系統(tǒng)的調(diào)速范圍，適應(yīng)了高性能伺服驅(qū)動的要求。并且隨著永磁材料性能的大幅度提高和價格的降低，其在工業(yè)生產(chǎn)自動化領(lǐng)域中的應(yīng)用將越來越廣泛，目前已成為交流伺服系統(tǒng)的主流。我國從1970年代開始跟蹤開發(fā)交流伺服技術(shù)，80年代之后開始進入工業(yè)領(lǐng)域，直到2000年，國產(chǎn)伺服停留在小批量、高價格、應(yīng)用面狹窄的狀態(tài)，技術(shù)水平和可靠性難以滿足工業(yè)需要。2000年之后，隨著中國變成世界工廠、制造業(yè)的快速發(fā)展為交流伺服提供了越來越大的市場空間，國內(nèi)幾家單位開始推出自己品牌的交流伺服產(chǎn)品，比如貝加萊(B&R)工業(yè)自動化公司推出的AcoposMulti驅(qū)動系統(tǒng)、艾默生控制技術(shù)(Emerson Control Techniques)公司展出了Unidrive及其他交、直流驅(qū)動器產(chǎn)品、Rockwell Automation公司的PowerFlex驅(qū)動技術(shù)、施奈德電氣(Schneider Electric) 的Lexium 05型伺服控制器、包米勒(Baumuller)公司的帶集成行星齒輪傳動系的高性能伺服電機、安川電機歐洲公司(Yaskawa Electric Europe，YEE) 的通用Sigma II型伺服電機等。而國際廠商伺服產(chǎn)品每5年就會換代，新的功率器件或模塊每22.5年就會更新一次，新的軟件算法則日新月異，總之產(chǎn)品生命周期越來越短。總結(jié)國內(nèi)外伺服廠家的技術(shù)路線和產(chǎn)品路線，結(jié)合市場需求的變化，可以看到以下一些最新發(fā)展趨勢。(1) 交流化伺服技術(shù)將繼續(xù)迅速地由直流伺服系統(tǒng)轉(zhuǎn)向交流伺服系統(tǒng)。從目前國際市場的情況看，幾乎所有的新產(chǎn)品都是交流伺服系統(tǒng)。在工業(yè)發(fā)達國家，交流伺服電機的市場占有率已經(jīng)超過80%。在國內(nèi)生產(chǎn)交流伺服電機的廠家也越來越多，正在逐步地超過生產(chǎn)直流伺服電機的廠家?？梢灶A(yù)見，在不遠的將來，除了在某些微型電機領(lǐng)域之外，交流伺服電機將完全取代直流伺服電機。(2) 全數(shù)字化采用新型可編程控制器可以代替以模擬電子器件為主的伺服控制單元，從而實現(xiàn)完全數(shù)字化的伺服系統(tǒng)。全數(shù)字化的實現(xiàn)，將原有的硬件伺服控制變成了軟件伺服控制，從而使在伺服系統(tǒng)中應(yīng)用現(xiàn)代控制理論的先進算法(如:最優(yōu)控制、人工智能、模糊控制、神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)等)成為可能。(3) 智能化現(xiàn)代交流伺服驅(qū)動器都具備參數(shù)記憶、故障自診斷和分析功能，絕大多數(shù)進口驅(qū)動器都具備負載慣量測定和自動增益調(diào)整功能，有的可以自動辨識電機的參數(shù)，自動測定編碼器零位，有些則能自動進行振動抑止。將電子齒輪、電子凸輪、同步跟蹤、插補運動等控制功能和驅(qū)動結(jié)合在一起，對于伺服用戶來說，則提供了更好的體驗。(4) 網(wǎng)絡(luò)化和模塊化隨著機器安全標準的不斷發(fā)展，傳統(tǒng)的故障診斷和保護技術(shù)（問題發(fā)生的時候判斷原因并采取措施避免故障擴大化）已經(jīng)落伍，最新的產(chǎn)品嵌入了預(yù)測性維護技術(shù)，使得人們可以通過Internet及時了解重要技術(shù)參數(shù)的動態(tài)趨勢，并采取預(yù)防性措施。比如：關(guān)注電流的升高，負載變化時評估尖峰電流，外殼或鐵芯溫度升高時監(jiān)視溫度傳感器，以及對電流波形發(fā)生的任何畸變保持警惕。(5) 小型化和大型化無論是永磁無刷伺服電機還是步進電機都積極向更小的尺寸發(fā)展，比如20，28，35mm外徑；同時也在發(fā)展更大功率和尺寸的機種，已經(jīng)看到500kW永磁伺服電機的出現(xiàn)，體現(xiàn)了向兩極化發(fā)展的傾向。1.2 選題背景及意義可編程計算機控制器(Programmable Computer Controller，簡稱PCC)是集計算機技術(shù)、通訊技術(shù)、自動控制技術(shù)為一體的新型工業(yè)控制裝置，它是通過模擬量來完成控制要求的，這樣就省去了接線的繁瑣，硬件上首先取得了很大的優(yōu)勢。隨著3C技術(shù)(計算機、通訊、控制)的發(fā)展，新一代的PCC已能勝任集散控制和復(fù)雜的過程控制，其良好的兼容性、豐富的功能函數(shù)、品種多樣的硬件模塊、高級編程語言的使用，使PCC能適應(yīng)各種工業(yè)控制的需要1。于是在此背景下，進行了實驗室的三期改造，改造后的實驗室添加了控制對象，過去的研究僅僅是在軟件平臺上完成，所得結(jié)果是模擬的，有時并不準確，增加了控制對象后，現(xiàn)象和結(jié)果就能清楚的顯示在控制對象上，便于調(diào)試和測量，這給此次課題的研究打下了基礎(chǔ)。本文采用貝加萊公司設(shè)計的可編程計算機控制器（PCC）和伺服控制器（ACOPOS）作為系統(tǒng)主要構(gòu)件，通過對它們的研究與應(yīng)用對電機偏轉(zhuǎn)速度進行控制。2.PCC與ACOPOS簡介2.1 可編程計算機控制器（PCC）3, 4, 6可編程計算機控制器PCC是專為在工業(yè)環(huán)境下應(yīng)用而設(shè)計的。它采用可編程序的存儲器，用于其內(nèi)部存儲執(zhí)行邏輯運算、順序控制、定時、計數(shù)和算數(shù)運算等操作指令，并通過數(shù)字式、模擬式的輸入/輸出控制各種類型的機械或生產(chǎn)過程?？删幊逃嬎銠C控制器及其有關(guān)外部設(shè)備，都易于與工業(yè)控制系統(tǒng)聯(lián)成一個正題，易于擴充其功能的原則設(shè)計，是特別適合于工業(yè)環(huán)境的。與現(xiàn)有的PLC控制的伺服系統(tǒng)相比，在硬件結(jié)構(gòu)方面，PCC的特點是很顯著的。在其核心的運算模塊內(nèi)部，PCC為其CPU配備了數(shù)倍于常規(guī) PLC的大容量存儲單元（100K-16M），這無疑為強大的系統(tǒng)和應(yīng)用軟件提供了監(jiān)視的硬件基礎(chǔ)。而在硬件外部，它有著全模塊式的插裝結(jié)構(gòu)，在工業(yè)現(xiàn)場，不僅可以方便地帶電插拔，而且在接線端子，模塊供電及工作狀態(tài)顯示等諸多方面均有著精巧的設(shè)計。PCC在硬件上的特點，還體現(xiàn)在它為工業(yè)現(xiàn)場的各種信號設(shè)計了許多專用的接口模塊，如溫度，高頻脈沖，增量脈沖編碼器，稱重信號及超聲波信號接口模塊等。它們將各種形式的現(xiàn)場信號十分方便的連入以PCC為核心的數(shù)字控制系統(tǒng)中，用戶可按需要對應(yīng)用系統(tǒng)的硬件I/O通道以單路，十余路或數(shù)十路為單位模塊，進行數(shù)十點至數(shù)百點、上千點的擴展與聯(lián)網(wǎng)。與常規(guī)PLC相比較，PCC最大的特點在于分時多任務(wù)操作系統(tǒng)和多樣化的應(yīng)用軟件的設(shè)計，常規(guī)的PLC大多采用單任務(wù)的時鐘掃描或監(jiān)控程序，來處理程序本身的邏輯運算指令和外部的I/O通道的狀態(tài)采集與刷新，這樣PLC的執(zhí)行速度取決于應(yīng)用程序的大小，這一結(jié)果，無疑是同I/O通道中高實時性的控制要求相違背的。PCC的系統(tǒng)軟件解決了這一問題，它采用分時多任務(wù)機制構(gòu)筑其應(yīng)用軟件的運行平臺，這樣應(yīng)用程序的運行周期則與程序長短無關(guān)，而是由操作系統(tǒng)的循環(huán)周期決定，由此，它將應(yīng)用程序的掃描周期同真正外部的控制周期區(qū)別開來，滿足了真正實時控制的要求，當然，這種控制周期可以在CPU運算能力允許的前提下，按照用戶的實際要求，任意調(diào)整?；谶@樣的操作系統(tǒng)，PCC的應(yīng)用程序由多任務(wù)模塊構(gòu)成，這樣給項目應(yīng)用軟件的開發(fā)帶來了了很大的便利，因為這樣可以方便地按控制項目中各部分不同的功能要求，如數(shù)據(jù)采集，報警，PID調(diào)節(jié)運算，通信控制等，分別編制出控制程序模塊（任務(wù)），這些模塊既相互獨立運行，而數(shù)據(jù)間又保持一定的相互關(guān)聯(lián)，這些模塊經(jīng)過分步驟的獨立編制和調(diào)試完成之后，可一同下載至PCC的CPU中，在多任務(wù)操作系統(tǒng)的調(diào)度管理下，并行運行，共同實現(xiàn)項目的控制要求?；谏鲜龉δ軓姶蟮奶厥獾牟僮飨到y(tǒng)，PCC在應(yīng)用程序的設(shè)計上，有著常規(guī)PLC無法比擬的靈活性。由于PCC是基于多任務(wù)環(huán)境下設(shè)計程序，采用大型應(yīng)用軟件的模塊化設(shè)計思想，各個任務(wù)模塊的功能描述更趨清晰簡潔，用戶在開發(fā)自己的任務(wù)時，由于對其功能的提取具有通用性，因而作為一個獨立的功能模塊，用戶可十分方便地將其封裝起來，以便于日后在其他應(yīng)用項目重新使用。PCC的編程硬件采用普通PC機配以一套功能強勁的開發(fā)軟件作為在線開發(fā)工具，這種方式，不僅節(jié)省了用戶的硬件投資，更重要的是，它發(fā)揮了PC機作為在線編程開發(fā)工具的強大的軟硬件優(yōu)勢，它為用戶提供了源程序級的單步、斷點、單周期及PCC在線錯誤自診斷等多種形式的調(diào)試手段，使應(yīng)用程序的開發(fā)十分靈活便捷。另外，通過PC機上編程軟件包所提供的為數(shù)眾多的函數(shù)，用戶可短時間內(nèi)編制出高效而復(fù)雜的控制程序來。PCC在編制不同的單個任務(wù)模塊時，具有靈活選用不同編程語言的特點，這就意味著不僅在常規(guī) PLC上指令表語言可在PCC上繼續(xù)沿用，而且用戶還可采用更為高效直觀的高級語言（PL2000）。它是一套完全面向控制的文本語言，熟悉BASIC的技術(shù)人員會對它的語法有種似曾相識的感覺，它對于控制要求的描述非常簡便、直觀。除此之外，PCC的應(yīng)用軟件開發(fā)還具有集成“C”語言程序的能力。尤為與眾不同的是，所有這些編程語言，PCC都采用“符合變量”來標識外部I/O通道及內(nèi)部寄存器單元，軟件開發(fā)人員毋需熟知 PCC內(nèi)部的硬件資源的分布，而只須集中精力于項目本身的要求，即可迅速編制出自己的控制程序來。PCC在遠程通信方面的靈活性，是區(qū)別于常規(guī)PLC的一大顯著標志，作為未來構(gòu)成分布式現(xiàn)場I/O控制的主要角色之一，PCC為此提供了十分靈活多樣的解決方案。除上述開放式現(xiàn)場總線的網(wǎng)絡(luò)方案之外，PCC還提供了RS485總線上多種局部主從網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，用戶不僅可以采用PCC自身的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，也可以方便的與其他廠家的PLC等工控設(shè)備聯(lián)網(wǎng)通信（如西門子，AB等），在一些特殊情況下，PCC還為用戶提供了創(chuàng)建自定義協(xié)議的工具（幀驅(qū)動器），由于具備這樣的技術(shù)優(yōu)勢，PCC常常能解決許多常規(guī)PLC所望塵莫及的通信難題，輕松實現(xiàn)與各種不同產(chǎn)品，不同通信協(xié)議的互聯(lián)。總之，PCC雖然從PLC發(fā)展而來，但擁有其不可比擬的優(yōu)勢。更加強大的內(nèi)存空間、更靈活的編制手段、更優(yōu)越的控制方式，使PCC有許多普通PLC難以完成功能，如精確到±1溫度調(diào)節(jié)；準確的伺服控制；遠程通信功能等。并且PCC還能隨著當前的計算機和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，不斷更新?lián)Q代，有著更好的升級能力，所以PCC正廣泛地在工業(yè)控制中使用。2.2 伺服控制器（ACOPOS）伺服驅(qū)動的目的是使用電機和各種機械機構(gòu)盡量精確與快速的到達某一位置。首先它需要一個控制器，通過控制器設(shè)定電機的位值，而在之前控制器需要獲得電機當前的位值，這個信息可用編碼器來實現(xiàn).編碼器是一種測量元件,它可以通過反饋將電機的精確位置傳給控制器。當設(shè)定位置與實際位置不相符時,將會產(chǎn)生一個滯后偏差或位置偏移，此時由伺服驅(qū)動輸出一個可控變量來補償偏差。2.2.1 ACOPOS的特點9,15ACOPOS伺服控制器是B&R公司完美自動化解決方案中的一個重要組成部分，屬于高性能的伺服驅(qū)動控制器，它主要是用于點到點的運動控制、電子齒輪、電子補償?shù)取COPOS伺服驅(qū)動時會用到電機嵌入式參數(shù)芯片上的信息，這些信息包括相關(guān)的機電一體化數(shù)據(jù)，從而實現(xiàn)自動設(shè)置芯片，避免大量人工設(shè)置會產(chǎn)生的錯誤。它的特點在于：（1） 模塊化，精確性和超強的通信能力必要的I/O點數(shù)是ACOPOS伺服驅(qū)動標準設(shè)備中的一部分，用于操作一個伺服軸。在執(zhí)行高精度測量的任務(wù)時，提供2個觸發(fā)式輸入進一步配置。ACOPOS的插入式模塊用于連接網(wǎng)絡(luò)中其他的驅(qū)動器，控制器和顯示設(shè)備，也可以連接編碼器，傳感器和執(zhí)行機構(gòu)。（2） 配置取代編程ACOPOS伺服驅(qū)動通過配置能夠完成高要求的定位任務(wù)，具有緊湊型功能模塊，適用于廣泛的應(yīng)用，針對具體行業(yè)的功能可以在項目程序中快速簡便地實現(xiàn)。（3） PLCopen運動控制功能模塊ACOPOS伺服驅(qū)動器中有一個PLC open運動控制模塊，它縮短了開發(fā)周期，提供用戶豐富的編程語言:如梯形圖(LD)，高級程序語言“C”等。功能模塊按不同的功能可劃分為單軸運動和多軸運動區(qū)域。兩種區(qū)域除了包括相對和決定運動之外，還包括重疊運動。在多軸運動區(qū)域，有凸輪，電子凸輪，上/下同步和差分凸輪（變化的相角）等功能。（4） 控制觸發(fā)器控制器中的示波器能實時監(jiān)測所有的運動，很多可能的觸發(fā)條件都能提供所要分析的數(shù)據(jù)，能夠?qū)崿F(xiàn)精細調(diào)節(jié)以及運動優(yōu)化，相當簡便。速度、加速、振動的結(jié)果和影響也都能夠很快通過圖形分析出來。（5） 簡單快速的調(diào)試ACOPOS伺服控制器是由一個工具Automation Studio統(tǒng)一編程的，可通過對話框添加硬件組件、應(yīng)用程序并且完成配置，從而縮短了項目的開發(fā)周期。內(nèi)置NC測試不用寫一行程序代碼就可以檢測一個軸，而所有類型的運動，從點對點到齒輪都可以交互實現(xiàn)。監(jiān)視器窗口顯示軸反作用力，跟蹤功能記錄相關(guān)的驅(qū)動器數(shù)據(jù)有助于評估。2.2.2 ACOPOS控制原理級聯(lián)控制器概念是ACOPOS伺服驅(qū)動的核心，位置控制器，速度控制器，電流控制器是級聯(lián)的，按照設(shè)定值啟動，因此，高標準控制器的操作變量變成了低層次控制器的設(shè)置量，通過設(shè)定值發(fā)生器，可將設(shè)置量提供給位置控制器。在給出執(zhí)行一個基本運動的命令后，這個設(shè)定值發(fā)生器將會創(chuàng)建一個運動軌跡，這個運動軌跡的路徑主要取決于基本運動參數(shù)（目標位置，加速度等）。（1） 前饋位置控制器設(shè)定位置產(chǎn)生器將會產(chǎn)生位置控制器的設(shè)置量，ACOPOS伺服驅(qū)動將通過電機的編碼器系統(tǒng)和一個相應(yīng)的編碼器接口卡接收控制變量（當前的電機位置）。從這些變量中，可以決定控制的偏移量。它將會為下一層的速度控制器產(chǎn)生一個新的操作變量。位置控制器是作為比例積分控制器執(zhí)行的，它帶有抗飽和（操作變量限制）和預(yù)測前饋（輸入控制），當設(shè)定值與實際值有偏差時，帶有的比例部分將會立即產(chǎn)生變化，設(shè)定值的變化或是擾動的影響都將產(chǎn)生這些形式的偏移，帶有積分時間常數(shù)的積分部分將會補償靜差。（2） 速度控制器速度控制器的功能是決定高層次位置控制器的操作變量與測量轉(zhuǎn)速的差別，低層次電流控制器的操作變量是通過抗飽和的PI控制器產(chǎn)生的。帶有系數(shù)的比例部分將會對控制器的任何偏差立即產(chǎn)生作用，這就決定了這個元素對速度控制器的動態(tài)能力起著決定性的作用。帶有積分動作時間的積分元素用來補償靜態(tài)的擾動變量。速度控制器中還包含一個速度濾波器，是一個低通濾波器，用這個低通濾波器，可以將速度信號的高頻干擾去掉，保證獲得更高的控制器質(zhì)量。（3） 電流控制器電流控制器是由PI控制器組成的（像位置和速度控制器一樣）。通過使用電機參數(shù)與具體的ACOPOS參數(shù)，伺服驅(qū)動將會自動決定相應(yīng)的參數(shù)。電流控制器使用它的操作變量來控制IGBT。然后，這些管子將會發(fā)送調(diào)制的PWM脈沖給電機。電流控制器將會在不同的循環(huán)周期內(nèi)工作，這取決于PWM的開關(guān)頻率。2.3理論上確定控制器參數(shù)通過對ACOPOS伺服控制器的結(jié)構(gòu)了解后，可以從理論上來計算控制參數(shù)2.3.1速度控制器 用下式來代替電流控制環(huán)的時間常數(shù): （3-1）將所有時間常數(shù)的綜合來代替: （3-2） （編碼器接口死區(qū)時間，速度的確定與掃描）(參數(shù))=速度濾波器的濾波時間常數(shù)速度控制器的比例增益： （3-3）=總的轉(zhuǎn)動慣量(Jmotor+Jbrake+Jload)=正在使用的電機的轉(zhuǎn)距常數(shù)Nm/A速度控制器的積分動作常數(shù)： （3-4）2.3.2 位置控制器用單個時間常數(shù)的總和來代替時間常數(shù): （3-5）=插補器產(chǎn)生的死區(qū)時間(0.0001s)=來代替速度控制環(huán)的時間常數(shù)=由掃描產(chǎn)生的死區(qū)時間(0.0002s)位置控制器的比例增益: （3-6）位置控制器的積分動作常數(shù): （3-7）2.3.3 理論上確定參數(shù)本文采用的是ACOPOS 8V1045的8MS電機，不帶負載。其中，開關(guān)頻率那么速度控制器：位置控制器：為了確定級聯(lián)控制器的參數(shù)，需要從低層啟動，然后逐步上升，以ACOPOS伺服控制器來說，就是先啟動底層速度控制器，然后是位置控制器，電流控制器是ACOPOS伺服驅(qū)動自動配置的，但在實際操作中，ACOPOS具有自整定功能，在本文中將6.3節(jié)會描述ACOPOS自整定的過程。3.主要硬件3.1 系統(tǒng)組成本文中的伺服系統(tǒng)主要由計算機（PC）、可編程計算機控制器（PCC）、伺服控制器(ACOPOS)和伺服電機構(gòu)成，整個系統(tǒng)如圖3-1所示。圖3-1 伺服系統(tǒng)控制原理圖(1) PCC2003系列本次設(shè)計采用的是PCC2003系列。2003系列是貝加萊(B&R)出品的高性能可編程計算機控制器(PCC)，它支持嵌入式PC-Based技術(shù)，同時具有很強的分析計算能力，其外圍信號輸入輸出的巨大帶寬可滿足機械制造、工廠自動化及過程自動化的所有要求，配合貝加萊(B&R)的其它產(chǎn)品，如I/O系統(tǒng)，工業(yè)PC及控制器等，可創(chuàng)建滿足高要求的自動化方案，依靠先進的接口、現(xiàn)場總線系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)及外圍設(shè)備，可完成最佳的數(shù)據(jù)傳輸任務(wù)。PCC的硬件結(jié)構(gòu)都為模塊，此次畢設(shè)需要用到以下兩個模塊：l CPU模塊CPU模塊最新的2003系列基于Intel兼容處理器，具備最先進的構(gòu)架，創(chuàng)造性的PC技術(shù)如Compact Flash存貯，以太網(wǎng)連接以及aPCI擴展插槽等的使用使得高性能產(chǎn)品在自動化領(lǐng)域也得以應(yīng)用，歷經(jīng)考驗的Mo-rola處理器CPU起了優(yōu)化性能的作用，編程采用全兼容、格式統(tǒng)一的B&R Automation Studio。本課題中采用的CPU模塊為CP360.60.1，對于短循環(huán)時間、必須處理大量數(shù)據(jù)以及帶負電操作的項目來說，CP360是最好的選擇，它附帶I/O處理器的高性能Pentium CPU，最短循環(huán)時間為400s，帶有一個RS232接口、集成Ethernet 10/1000Mbps以及USB接口，可更換應(yīng)該用內(nèi)存，它擁有32MB的DRAM和496KB的SRAM，并帶有一個插槽供插入aPCI接口模塊。l aPCI 接口模塊aPCI接口模塊屬于通信模塊，帶1個Ethernet POWERLINK接口和一個CANbus接口，帶電隔離，本次畢設(shè)中的通信模塊為IF787。(2) ACOPOS 8V1045ACOPOS控制器運行時掃描時間非常短且通信循環(huán)周期僅400s，控制循環(huán)50s，因而在各種功能的轉(zhuǎn)換時速度就很快。另外，根據(jù)IEC 60204-1標準，為了在斷電時按1類規(guī)定提供停機功能，伺服驅(qū)動的24 VDC電源、編碼器、傳感器及安全電路必須在整個停機過程中都處于運行狀態(tài)中。ACOPOS伺服驅(qū)動自動識別斷電，并馬上制動電機，制動時制動能量返回至DC總線，DC總線電源可以以此產(chǎn)生24 VDC電源電壓。此次畢設(shè)選用的為ACOPOS 8V1045.00-2伺服控制器，選用附件為8AC112.60-1和8AC122.60-2，它們都屬于ACOPOS的插入模塊，8AC112.60-1模塊帶有Ethernet POWERLINK接口，8AC122.60-2模塊帶有一個旋變器，可以擴展連接電機等。此次采用的ACOPOS V1045已經(jīng)集成一個DC總線電源，已集成DC總線電源的ACOPOS伺服驅(qū)動系統(tǒng)為伺服驅(qū)動提供24 VDC電源，并輸出24 VDC為編碼器、傳感器和安全電路供電。如果沒有集成DC總線電源，就要使用不間斷電源，而現(xiàn)在，在通常情況下就不需要不間斷電源。(3) 三相同步電機8MS貝加萊的8MS三相同步電機能夠滿足于高性能應(yīng)用需求的場合，無需復(fù)位過程或者另外測量系統(tǒng)便可運作，本文配置旋變器以適用于低速度的情況。8MS三相同步電機具有嵌入式參數(shù)芯片，所有相關(guān)的機械和電子數(shù)據(jù)以及信息都存儲于編碼器中，因此在伺服驅(qū)動上無需做任何配置，當編碼器和伺服電機相連時，電子裝置上電，電機自動被識別。電機將額定參數(shù)和極限參數(shù)傳送至伺服驅(qū)動，驅(qū)動自動選擇能夠?qū)崿F(xiàn)最佳控制電機所要用到的當前極限值和當前控制參數(shù)。8MS還具有統(tǒng)一的連接技術(shù)，預(yù)接線電纜和嵌入式參數(shù)芯片實現(xiàn)功率傳輸系統(tǒng)的即插即用，接頭處可以旋轉(zhuǎn)，為接線提供了最大的靈活性。本次畢設(shè)采用的為8MSA4M.R0.30，A為冷卻型，M表示中號額定扭矩。 3.2 系統(tǒng)連接計算機（PC）和可編程計算機控制器（PCC）的連接通過RS232。ACOPOS 8V1045伺服控制器接頭X1的引腳分配如表3-1所示，為18引腳結(jié)構(gòu)，9引腳為Enable，外接+24V電源;10引腳為Enable0V，外接地0V；14，15引腳都外接+24V電源；16，17，18引腳外接地0V；實際連接中，9引腳連接15引腳再外接+24V電源；10引腳連接16引腳再外接地，如圖3-2所示。圖3-2 伺服系統(tǒng)接線圖可編程計算機控制器（PCC）和伺服驅(qū)動器(ACOPOS)的連接通過CAN。伺服驅(qū)動器(ACOPOS)與伺服電機的連接則是通過一般硬線。4.軟件配置在ACOPOS上有許多參數(shù)可以控制驅(qū)動，這些參數(shù)由ACOPOS內(nèi)部的NC操作系統(tǒng)管理的，NC管理器用來建立用戶和伺服驅(qū)動上NC操作系統(tǒng)的連接，每個NC數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)用來配置和操作每個驅(qū)動項目，運用NC管理器時，使用簡單的函數(shù)就可對伺服傳送命令，而要實現(xiàn)這一功能，需要對驅(qū)動進行配置，包括硬件分配、初始化參數(shù)配置、ACOPOS參數(shù)配置、NC配置以及添加錯誤文本表。4.1 硬件分配用PCC驅(qū)動伺服控制器之前需要在與PCC相連的Automation Studio軟件中配置硬件，首先新建一個項目，如圖4-1所示。圖4-1 新建項目窗口輸入項目名稱，選擇保存路徑，最后選擇upload hardware from target，這樣就可以直接將實際硬件上傳上來，上傳成功后，出現(xiàn)項目概要窗口。圖4-2 項目概要窗口點擊finish，項目添加成功，出現(xiàn)project界面，如圖4-3所示。圖4-3 項目新建成功界面在IF787.9窗口下，選擇POWERLINK屬性，將其循環(huán)時間改為400微妙，這樣設(shè)置是由于POWERLINK默認的循環(huán)時間為2000微妙，但在實際運用中并不需要這么長的掃描時間，將其值修改的小一點，避免浪費時間。修改完成后，開始添加硬件，首先添加ACOPOS控制器，如圖4-4所示。圖4-4 添加ACOPOS界面選擇insert后，出現(xiàn)一個ACOPOS選型窗口，在此表內(nèi)選擇相應(yīng)的ACOPOS型號8V1045.00-2，如圖4-5所示。圖4-5 ACOPOS選型窗口點擊Next，出現(xiàn)選擇附件模塊8AC112.60-1和8AC122.60-2，選擇好附件，出現(xiàn)選擇drive usage窗口，如圖4-6所示。圖4-6 drive usage 選擇窗口選擇Motion Control和use PLCopen，選擇Motion Control 即為單軸運行，若是多軸運行，則應(yīng)選擇CNC，選擇use PLCopne是為了之后對電機速度控制做準備。添加完ACOPOS控制器，繼續(xù)添加所連電機，為8MSA4M.R0.30，如圖4-7所示。圖4-7 硬件電機選擇窗口由于在軟件配置中需要配置NC，同樣需要添加ACOPOS和motor，所以必須將硬件樹中的ACOPOS模塊屏蔽掉，以免發(fā)生沖突，如圖4-8所示。圖4-8 ACOPOS屏蔽圖4.2 軟件配置 4.2.1 初始化參數(shù)模塊為了定義基本參數(shù)的固定設(shè)定（初始化設(shè)定或默認值），每個NC對象類型（指定實軸，虛軸等）的初始參數(shù)模塊需要添加到項目中，添加advanced object，選擇類型“NC INIT Parameter: Axis”，添加一個實軸的初始參數(shù)模塊，如圖4-9所示。初始化參數(shù)模塊包括NC對象的單獨分組，這些分組對應(yīng)ACOPOS上特定的部分，包括“controller”,“digital inputs”等。圖4-9 添加初始化模塊窗口在ACOPOS模塊前有一個連接端子排X1，用來連接數(shù)字量輸入，在初始參數(shù)配置時，需要分別設(shè)置每個輸入的“有效等級”，本文中將其設(shè)置為高電平有效，如圖4-10所示。圖4-10 dig_in有效級設(shè)置另外，ACOPOS伺服控制器在驅(qū)動電機運行時，是以units作為單位的，默認電機轉(zhuǎn)一圈為1000units，本文中將其修改為3600units，如圖4-11所示，這是為了方便速度控制時的輸入與查看。圖4-11 運動單位設(shè)置4.2.2 ACOPOS參數(shù)表 添加ACOPOS參數(shù)表，如圖4-12所示。ACOPOS上的參數(shù)可以直接尋址，ACOPOS伺服電機有大量的參數(shù)，通過提供參數(shù)來定義配置指定數(shù)據(jù)（電機特性，編碼器等），同樣定義命令操作（位置等）圖4-12 添加ACOPOS參數(shù)表添加成功后，出現(xiàn)一個空白的參數(shù)表，點擊鼠標右鍵，選擇append group，如圖4-13所示。圖4-13 ACOPOS參數(shù)表在新的參數(shù)表中添加參數(shù)組，這樣可以結(jié)構(gòu)化大量的參數(shù)列表，預(yù)先定義的參數(shù)組也包括在此，包括：(1) 定義ACOPOS的編碼器接口卡組，如圖4-14所示。圖4-14 編碼器接口卡選擇窗口(2) 定義ACOPOS的電機參數(shù)（特性）組，如圖4-15所示。圖4-15 電機參數(shù)表選擇窗口完成這些配置后，電機所需要用的所有參數(shù)和插入卡需要的參數(shù)都輸入到參數(shù)表中了。4.2.3 NC配置使用NC配置必須要在項目中做三個更改：(1) 屏蔽強制NC初始參數(shù)對象硬件定義的設(shè)定(2) 在NC deployment table 中重新定義NC對象和指定硬件 首先添加NC Deployment Table，如圖4-16所示。圖4-16 添加NC deployment 之后做具體NC配置：(1) NC Object NameNC Object Name 中定義一個在項目中唯一的對象名稱，該名稱用來通過NC函數(shù)ncaccess訪問項目程序中的NC軟件對象，如圖4-17所示，需要注意object name在此項目中名稱若不唯一，則系統(tǒng)運行時會發(fā)生沖突。 。圖4-17 定義NC Object name(2) Network Interface Network Interface中選擇ACOPOS連接的網(wǎng)絡(luò)接口，為POWERLINK，如圖4-18所示。圖4-18 選擇網(wǎng)絡(luò)接口(3) Node Number輸入選擇網(wǎng)絡(luò)中的ACOPOS節(jié)點號，如圖4-19所示，節(jié)點號在ACOPOS控制器的硬件上由人工撥。圖4-19 選擇節(jié)點號(4) NC Object Type定義NC對象的類型，選擇實軸操作，如圖4-20所示。圖4-20 選擇實軸型通過這些配置即可將硬件部分（網(wǎng)絡(luò)中ACOPOS模塊）指定到相應(yīng)的軟件部分。4.2.4 NC 錯誤文本表在項目中添加NC Error Text Table，如圖4-21所示。圖4-21 添加error tableError table中包括了ACOPOS出錯時傳送的錯誤號文本，這個錯誤文本表提供信息處理方法輸出問題信息，如圖4-22所示。圖4-22 錯誤文本表最后，需要在初始化參數(shù)模塊中，將error table 附加上，方便查詢，如圖4-23所示。圖4-23 附加錯誤文本表5.程序設(shè)計5.1 PLCopen與ACP10_MC本文對伺服電機的速度控制采用的是PLCOPEN運動控制模塊（PLCOPEN_MC），隨著功能性和接口的標準化及在多個平臺上執(zhí)行，PLCOPEN建立了編程標準，并在工業(yè)領(lǐng)域被廣泛支持，由于封裝隱藏了數(shù)據(jù)，此標準可用于不同結(jié)構(gòu)，適用的控制從集中型到分散型或從集成型到網(wǎng)絡(luò)型。它不是為某個應(yīng)用程序特別設(shè)計的，而是可以作為在不同領(lǐng)域中正進行定義的基礎(chǔ)層。正因為如此，它對現(xiàn)有和將來的技術(shù)都是開放的。B&R驅(qū)動方案提供PLCOPEN標準位置應(yīng)用，同時提供特別的B&R特殊功能塊，并與標準相一致，這樣能夠充分的使用整個ACOPOS的功能，而ACP10_MC功能庫就包含了控制ACOPOS的功能庫，包括標準函數(shù)。ACP10_MC庫中包括相關(guān)的大量功能庫，這些功能塊用于：(1) 驅(qū)動準備(2) 基本運動，包括絕對位移或者相對來回運動等(3) 測定驅(qū)動狀態(tài)，讀取位置值，速度值等(4) 測定和確認驅(qū)動錯誤(5) 用于數(shù)字輸入和輸出信號的查詢和控制功能(6) 位置測量(7) 管理PLCOPEN軸參數(shù)(8) 管理ACOPOS Par ID參數(shù)5.2 ACP10_MC功能函數(shù)介紹(1) MC_Move Absolute 在一個指定的絕對位置命令被控運動。 (2) MC_Move Additive 除了在離散運動狀態(tài)下原始命令的位置，命令一個指定相關(guān)距離的被控運動。如果FB在持續(xù)模式下啟動，在執(zhí)行時指定的相關(guān)距離被加入到實際位置。 (3) MC_Move Velocity 命令在特殊速率下的不停止的被控運動。 (4) MC_Home 命令軸執(zhí)行尋參，獲得電機當前位置。當檢測到參照信號時，位置輸入用于設(shè)置絕對位置。在靜止時完成此操作。 (5) MC_Stop 命令被控運動停止，將軸轉(zhuǎn)換為“停止”狀態(tài)。它會中止任何進行中的功能塊的執(zhí)行。使用“Done”輸出，可轉(zhuǎn)換為靜止狀態(tài)。當軸處于“停止”狀態(tài)時，其他的功能模塊不可以在這個軸上執(zhí)行任何運動。 (6) MC_Power 控制電源（開或關(guān)）。 (7) MC_Read Status 返回到相應(yīng)于當前正在進行運動的軸的詳細狀況。 (8) MC_Read Axis Error 顯示與功能塊無關(guān)的故障。 (9) MC_Reset 通過復(fù)位所有內(nèi)部與軸有關(guān)的故障和清除懸掛的命令，實現(xiàn)從故障停止狀態(tài)到靜止狀態(tài)的轉(zhuǎn)換。 (10) MC_Read Actual Position 讀實際位置。5.3 程序設(shè)計 此次畢設(shè)需要實現(xiàn)的控制要求為電機的速度控制，即可認為是電機走了多少位移，位移又可分為絕對位移和相對位移，則需要建立一個自動順序應(yīng)用程序來控制ACOPOS，采用步進順序更為適合，設(shè)計過程如下： (1) 啟動系統(tǒng)后，系統(tǒng)等待信號來激活驅(qū)動控制器，當獲得相應(yīng)的信號，就以MC_POWER函數(shù)來啟動控制器，(2) 程序進入一個準備狀態(tài)(3) 在這個準備狀態(tài)中，系統(tǒng)等待信號來執(zhí)行下一步驟，包括絕對位移和相對位移，考慮到在走絕對位移之前可能執(zhí)行一個尋參的過程，所以在程序中添加了MC_HOME函數(shù)。程序中設(shè)計為一旦執(zhí)行尋參命令，自動將電機當前位置設(shè)為0。任務(wù)順序圖如圖5-1所示： 圖5-1 任務(wù)順序圖程序如下：switch(AxisStep)case STATE_WAIT: /*等待上電*/if (gAxisBasic.Power = =1) /* 得到上電指令*/AxisStep = STATE_POWER_ON; /*執(zhí)行上電*/elseMC_Power_0.Enable = 0; /*將電源使能復(fù)位*/MC_Home_0.Execute = 0; /* 復(fù)位所有函數(shù)信號 */MC_Stop_0.Execute = 0;MC_MoveAbsolute_0.Execute = 0;MC_MoveAdditive_0.Execute = 0;MC_Reset_0.Execute = 0;gAxisBasic.Stop = 0; /* 用戶指令復(fù)位*/gAxisBasic.Home = 0;gAxisBasic.MoveAbsolute = 0;gAxisBasic.MoveAdditive = 0;break;case STATE_POWER_ON: /* 上電狀態(tài)*/MC_Power_0.Enable = 1; /* 得到上電指令*/if (MC_Power_0.Status = =1) /* 上電反饋*/AxisStep = STATE_READY; /* 跳轉(zhuǎn)到準備狀態(tài)*/break;case STATE_READY: /* 等待狀態(tài)*/if (gAxisBasic.Home = =1) /* 得到尋參指令*/gAxisBasic.Home = 0; /* 將尋參指令復(fù)位，方便下次執(zhí)行尋參*/AxisStep = STATE_HOME; /* 執(zhí)行尋參*/else if (gAxisBasic.MoveAbsolute = =1) /* 絕對位移指令*/gAxisBasic.MoveAbsolute = 0; /* 將位移指令復(fù)位，方便下次獲得指令*/ AxisStep = STATE_MOVE_ABSOLUTE; /* 執(zhí)行絕對位移*/else if (gAxisBasic.MoveAdditive = =1) /* 相對位移指令*/gAxisBasic.MoveAdditive = 0; /* 將位移指令復(fù)位，方便下次獲得指令*/AxisStep = STATE_MOVE_ADDITIVE; /* 執(zhí)行相對位移*/case STATE_HOME: /* 尋參狀態(tài) */MC_Home_0.Position = gAxisBasic.ParaHomePosition;MC_Home_0.HomingMode = gAxisBasic.ParaHomeMode; /* 尋參模式 */MC_Home_0.Execute = 1; /* 執(zhí)行尋參設(shè)為只有上升沿有效 */if(MC_Home_0.Done = 1)MC_Home_0.Execute = 0; /* 將尋參函數(shù)復(fù)位，方便下次獲得指令*/AxisStep = STATE_READY;break;此外，在執(zhí)行以上機械的進程中需要考慮到潛在的錯誤事件，需要區(qū)分出兩種錯誤類型：(1) 功能塊調(diào)用時的錯誤，可能是由于設(shè)置上的錯誤(2) 驅(qū)動錯誤在PCC中，PLCopen功能塊提供這些函數(shù)狀態(tài)的直接反饋，在“錯誤”狀態(tài)輸出中顯示執(zhí)行中產(chǎn)生的錯誤，響應(yīng)的錯誤代碼在函數(shù)ERRORID輸出，用戶可以更好的定位錯誤。設(shè)計思想如下：(1) 利用循環(huán)的MC_ReadAxisError函數(shù)監(jiān)控ACOPOS驅(qū)動上的出錯信息，此功能塊必須一直在激活狀態(tài)（Enable=1），AxisError在PCC中ID默認設(shè)定為29226。(2) 當出現(xiàn)驅(qū)動錯誤后，停止常規(guī)的程序執(zhí)行，進入處理錯誤步驟；當出現(xiàn)功能塊調(diào)用時的錯誤，出現(xiàn)這一錯誤同樣停止程序執(zhí)行。在兩種進程都運行通過后，需要檢測驅(qū)動狀態(tài)，是否在錯誤狀態(tài)，直到執(zhí)行了狀態(tài)復(fù)位，才能繼續(xù)運行應(yīng)用程序。流程圖如圖5-2所示： 圖5-2 檢錯流程圖 程序如下： _CYCLIC void basic_cyclic(void) /*循環(huán)檢測程序*/if(MC_ReadAxisError_0.AxisErrorID!=0)&&(MC_ReadAxisError_0.Valid=1) /*檢測軸錯誤 */AxisStep = STATE_ERROR_AXIS; /*運行軸錯誤處理狀態(tài) */else if (gAxisBasic.Power = =0) /*是否斷電*/if (MC_ReadStatus_0.Errorstop = =1) && (MC_ReadStatus_0.Valid = =1) /*檢測驅(qū)動狀態(tài)*/AxisStep = STATE_ERROR_RESET; /*運行狀態(tài)復(fù)位*/elseAxisStep = STATE_WAIT;case STATE_ERROR: /* 錯誤狀態(tài)*/if (gAxisBasic.ErrorID= =29226） /*檢測功能函數(shù)是否發(fā)生錯誤*/AxisStep = STATE_ERROR_AXIS; /*如果是軸錯誤，到軸錯誤處理狀態(tài)*/elseif (gAxisBasic.ErrorAcknowledge = =1)gAxisBasic.ErrorAcknowledge = 0; /*確認錯誤直到?jīng)]有錯誤態(tài)*/gAxisBasic.ErrorID = 0; /*將ErrorID復(fù)位，方便下次檢錯*/ if (MC_ReadStatus_0.Errorstop=1) && (MC_ReadStatus_0.Valid = 1) /*檢測是否在驅(qū)動狀態(tài)*/AxisStep = STATE_ERROR_RESET; /*運行錯誤復(fù)位*/elseAxisStep = STATE_WAIT; /*運行等待狀態(tài)*/break;case STATE_ERROR_AXIS: /*軸錯誤狀態(tài)*/if (MC_ReadAxisError_0.Valid = =1)if (MC_ReadAxisError_0.AxisErrorID != 0) /*出現(xiàn)錯誤*/gAxisBasic.ErrorID = MC_ReadAxisError_0.AxisErrorID; /*讀軸錯誤號*/MC_ReadAxisError_0.Acknowledge = 0;if (gAxisBasic.ErrorAcknowledge = =1) /*確認錯誤*/gAxisBasic.ErrorAcknowledge = 0; /*將確認復(fù)位*/ if (MC_ReadAxisError_0.AxisErrorID!=0) /*出現(xiàn)錯誤*/MC_ReadAxisError_0.Acknowledge = 1; /*確認錯誤*/if (MC_ReadAxisError_0.AxisErrorCount = =0) /*剩余錯誤為0*/gAxisBasic.ErrorID = 0; /*錯誤命令復(fù)位*/if(MC_ReadStatus_0.Errorstop=1)&&(MC_ReadStatus_0.Valid = 1) /*檢測是否在驅(qū)動狀態(tài)*/AxisStep = STATE_ERROR_RESET; /*運行錯誤復(fù)位*/elseAxisStep = STATE_WAIT; /*等待狀態(tài)*/break;case STATE_ERROR_RESET: /*錯誤復(fù)位狀態(tài)*/MC_Reset_0.Execute = 1; /*復(fù)位上升沿有效*/if(MC_Power_0.Error = =1