PLC控制伺服电机
第1章PLC基础知识
1.1 PLC简介
1.1.1 PLC的定义
PLC(Programmable Logic Controller)是一种以计算机（微处理器）为核心的通用工业控制装置,专为工业环境下应用而设计的一种数字运算操作的电子学系统。目前已经广泛地`应用于工业生产的各个领域。早期的可编程序控制器只能用于开关量的逻辑控制，被称为可编程序逻辑控制器（Programmable Logic Controller）,简称PC。现代可编程序控制器采用微处理（Microprocessor）作为中央处理单元，其功能大大增强，它不仅具有逻辑控制功能，还具有算术运算、模拟量处理和通信联网等功能。PLC的高可靠性到目前为止没有任何一种工业控制设备可以达到，PLC对环境的要求较低，与其它装置的外部连线和电平转换极少，可直接接各种不同类型的接触器或电磁阀等。
这样看来，PC这一名称已经不能准确反映它的特性，于是，人们将其称为可编程序控制器（Programmable Controller），简称PLC。但是近年来个人计算机（Personal Computer）也简称PLC，为了避免混淆，可编程序控制器常被称为PLC。
1.1.2 PLC的产生和发展
在PLC出现之前，机械控制及工业生产控制是用工业继电器实现的。在一个复杂的控制系统中，可能要使用成千上百个各式各样的继电器，接线、安装的工作量很大。如果控制工艺及要求发生变化，控制柜内的元件和接线也需要作相应的改动，但是这种改造往往费用高、工期长。在一个复杂的继电器控制系统中，如果有一个继电器损坏、甚至某一个继电器的某一点接触点不良，都会导致整个系统工作不正常，由于元件多、线路复杂，查找和排除故障往往很困难。继电器控制的这些固有缺点，各日新月异的工业生产带来了不可逾越的障碍。由此，人们产生了一种寻求新型控制装置的想法。
1968年，美国最大的汽车制造商通用汽车公司（GM公司）为了适应汽车型号不断翻新的要求，提出如下设想：能否把计算机功能完备、灵活、通用等优点和继电器控制系统的简单易懂、操作方便、价格便宜等优点结合起来，做成一种通用控制装置，并把计算机的编程方法合成程序输入方式加以简化，用面向过程、面向问题的“自然语言”编程，使得不熟悉计算机的人也可以方便使用。这样，使用人员不必在编程上花费大量的精力，而是集中力量去考虑如何发挥该装置的功能和作用。这一设想提出之后，美国数字设备公司（DEC公司）首先响应，于1969年研制出了世界上第一台PLC。此后，这项新技术就迅速发展起来。
PLC的发展过程大致如下：
第一代：从第一台可编程序控制器诞生到70年代初期。其特点是：CPU有中小型规模集成电路组成，存储器为磁芯存储器；功能简单，主要能完成条件、定时、计数控制；机种单一，没有形成系列；可靠性略高于继电接触器系统；没有成型的编程语言。
第二代：70年代初期到70年代末期。其特点是：CPU采用微处理器，存储器采用EPROM，使PLC的技术得到了较大的发展：PLC具有了逻辑运算、定时、计数、数值计算、数据处理、计算机接口和模拟量控制等功能：软件上开发出自诊断程序，可靠性进一步提高；系统开始向标准化、系统化发展；结构上开始有整体式和模块式的区分，整体功能从专用向通用过渡。
第三代：70年代末期到80年代中期。单片计算机的出现、半导体存储器进入了工业化生产及大规模集成电路的使用，推进了PLC的进一步发展，使其演变成专用的工业化计算机。其特点是：CPU采用8位和16位微处理器，使PLC的功能和处理速度大大增强；具有通信功能远程I/O能力；增加了多种特殊功能；自诊断功能及容错技术发展迅速；软件方面开发了面向过程的梯形图语言及其变相的语句表（也称逻辑符号）；PLC的体积进一步缩小，可靠性大大提高，成本大型化、低成本。
第四代：80年代中期到90年代中期。随着计算机技术的飞速发展，促进PLC完全计算机化。PLC全面使用8位、16位微处理芯片的位片式芯片，处理速度也达到1微秒/步。功能上具有高速计数、中断、A/D、D/A、PID等，已能满足过程控制的要求，同时加强了联网的能力。
第五代：90年代中期至今。RISC(简称指令系统CPU)芯片在计算机行业大量使用，表面贴装技术和工艺已成熟，使PLC整机的体积大大缩小，PLC使用16位和32位的微处理器芯片。CPU芯片也向专用化发展。具有强大的数值运算、函数运算和大批量数据处理能力；已开发出各种智能化模块；以LCD微现实的人机智能接口普遍使用，高级的已发展到触摸式屏幕；除手持式编程器外，大量使用了笔记本电脑和功能强大的编程软件。
目前，为了适应大中型小企业的不同需要，进一步扩大PLC在工业自动化领域的应用范围，PLC正朝着以下两个方向发展：
其一：小型PLC向体积缩小、功能增强、速度加快、价格低廉的方向发展，使之能更加广泛地取代继电器控制。
其二：大中型PLC向大容量、高可靠性、高速度、多功能、网络化的方向发展，使之能对大规模、复杂系统进行综合性的自动控制。
总的趋势是：
(1) 中央处理单元处理速度进一步加快。
(2) 控制系统将分散化。
(3) 可靠性进一步提高。
(4) 控制与管理功能一体化。
1.2 PLC的构成
PLC的硬件主要由CPU模块、I/O端口组成。
1) 中央处理单元CPU是PLC的核心，它是运算、控制中心，将完成以下任务：
(1) 接受并存储用户程序和数据。
(2) 诊断工作状态。
(3) 接受输入信号，送入PLC 的数据寄存器保存起来。
(4) 读取用户程序，进行解释和执行，完成用户程序中规定的各种操作。 2) PLC 中的存储器分为系统程序存储器和用户程序存储器
3） I/O 接口模块的作用是将工业现场装置与CPU 模块连接起来，包括开关量I/O 接口模块、模拟量I/O 接口模块、智能I/O 接口模块以及外设通讯接口模块等。
图1-1为PLC 的硬件组成框图：
1.3 PLC 的工作原理
PLC 工作过程一般可分为输入采样，程序执行和输出刷新三个主要阶段。PLC 按顺序采样所有输入信号并读入到输入映像寄存器中存储，在PLC 执行程序时被使用，通过对当前输入输出映像寄存器中的数据进行运算处理，再将其结果写入输出映像寄存器中保存,当PLC 刷新输出锁存器时被用作驱动用户设备，至此完成一个扫描周期。PLC 的扫描周期一般在100毫秒以内。PLC 程序的易修改性，可靠性，通用性，易扩展性，易维护性可和计算机程序相媲美，再加上其体积小，重量轻，安装调试方便，使其设计加工周期大为缩短，维修也方便,还可重复利用。
PLC 的循环扫描工作过程见图1-2。
输入信号
图1-1
图1-2
第2章伺服系统
2.1 伺服电机种类及结构特点
―伺服‖一词源于希腊语―奴隶‖的意思。人们想把―伺服机构‖当个得心应手的驯服工具，服从控制信号的要求而动作。在讯号来到之前，转子静止不动；讯号来到之后，转子立即转动；当讯号消失，转子能即时自行停转。由于它的―伺服‖性能，因此而得名伺服系统。
伺服系统是使物体的位置、方位、状态等输出被控量能够跟随输入目标值(或给定值)的任意变化的自动控制系统。
伺服的主要任务是按控制命令的要求，对功率进行放大、变换与调控等处理，使驱动装置输出的力矩、速度和位置控制得非常灵活方便。
通常根据伺服驱动器的种类来分类，有电气式、油压式或电气—油压式三种。伺服系统若按功能来分，则有计量伺服和功率伺服系统；模拟伺服和功率伺服系统；位置伺服和加速度伺服系统等。
电气式伺服系统根据电气信号可分为DC直流伺服系统和AC交流伺服系统二大类。AC交流伺服系统又有异步电机伺服系统和同步电机伺服系统两种
电气伺服技术应用最广，主要原因是控制方便，灵活，容易获得驱动能源，没有公害污染，维护也比较容易。特别是随着电子技术和计算机软件技术的发展，它为电气伺服技术的发展提供了广阔的前景。
早在70年代，小惯量的伺服直流电动机已经实用化了。到了70年代末期交流伺服系统开始发展，逐步实用化，AC伺服电动机的应用越来越广,并且还有取代DC伺服系统的趋势成为电气伺服系统的主流。
目前交流伺服电动机分为两种：同步型和感应型。
同步型(SM)：采用永磁结构的同步电动机，又称为无刷直流伺服电动机。
其特点：
(1) 无接触换向部件。
(2) 需要磁极位置监测器（如编码器）。
(3) 具有直流伺服电动机的全部优点。
感应型(IM)：指笼型感应电动机。
其特点：
(1) 对定子电流的激励分量和转矩分量分别控制。
(2) 具有直流伺服电动机的全部优点。
伺服系统由位置检测部分、误差放大部分、执行部分及被控对象组成。采用了全封闭无刷结构，以适应实际生产环境不需要定期检查和维修。其定子省去了铸件壳体，结构紧凑、外形小、重量轻。定子铁心较一般电动机开槽多且深，散热效果好，因而传给机械部分的热量小，提高了整个系统的可靠性。转子采用具有精密磁极形状的永久磁铁，因而可实现高转矩/惯量比，动态响应好，运行平稳。转轴安装有高精度的脉冲编码器作检测元件。因此交流伺服电动机以其高性能、大容量日益受到广泛的重视和应用。
2.2 交流伺服电机的控制方法
这里只介绍一种IM型伺服电机的控制方法：SPWM（脉宽调制变频）变频调速。这是最近发展起来的，其触发电路是一系列频率可调的脉冲波，脉冲的幅值恒定而宽度可调，因而可以根据U1/f1比值在变频的同时改变电压，并可按一定规律调制脉冲宽度，如按正弦波规律调制，这就是SPWM变频调速。
SPWM变频的工作原理可用图2-1加以说明。
u
u
图2-1
若希望变频输出为图2-1所示正弦波电压，则它可以用一系列幅值不变的矩形脉冲来等效，只要对应时间间隔内的矩形脉冲的面积和正弦波与横轴包含的面相等即可。单位周波内的脉冲数越多，等效的精度越高，谐波分量也越小。
SPWM变频调速系统的组成和线路比较复杂，现在已经有专用的SPWM集成组件供选择，如英国的HEF4752KV，功能齐全，为工程人员提供了方便。
第3章 R7D-APA3H 伺服驱动器
3.1 R7D-APA3H 伺服驱动器外部结构及端子说明
SMARTSTEP A 系列为基于传统的步进马达的简单定位系统用途而开发出来的脉冲输入型位置控制产品。它结合了步进的简单易用特点，同时具备步进马达难以达到的一些特征，如：在高速、高矩的情况下段时间内完成定位，在负荷急剧变化的情况下仍能保持状态稳定等，是具有很高可靠性的马达/驱动器。
图3-1为R7D-APA3H 伺服驱动器外部结构，表3-1为端子说明。 注：本系列使用电压：
主回路电源： 单相AC200/230V(170～253V)50/60Hz 控制回路电源：单相AC200/230V(170～253V)50/60Hz
控制输入输出信号的连接及外部信号信号处理电路图见附录1。
3.2 参数 / 监控模式
监控模式见表3-2。
图3-1
表3-1
表3-2
参数模式见表3-3。
表3-3
3.3 基本动作操作方法
1. 调整增益用旋转开关
可以调整马达响应性能，选择0时，按照内部设定的参数值运行。选择1—F时，按照旋转开关的数值运行。
如果需要降低马达响应性能（平滑地运动时），将开关设定在较小值。 如果需要提高马达响应性能（快速地运动时），将开关设定在较大值。 2. 开关/参数设定有效切换
设定驱动器的动作是按照功能开关进行或者是按照参数设定进行。见图3-2，说明见表3-4。
3. 脉冲指令的输入设定
脉冲指令的输入方法，按照正转脉冲/反转脉冲输入和脉冲/方向信号输入进行切换。见图3-3，说明见表3-5。
4. 在线自动调整 在线自动调整见图3-4。
图3-2
ON OFF 图3-3
1
2
3 4 5 6 终止在线自动调整。将结果保存在
参数的惯性比（Pn103），进行运转。
实行在线自动调整。
ON OFF
图3-4
1 2 3
4 5
6 表3-4
ON OFF
5. 动态制动的设定
动态制动的设定见图3-5，说明见表3-6。
1
2
3
4 5 6 ON OFF
图3-5
表3-6
第4章CPM2C系列PLC简介
4.1 什么是CPM2C
4.1.1 CPM2C的定义
CPM2C是一种紧凑的，高速可编程序控制器(PLC)，是为需要每台PLC有10～120点I/O 的系统控制操作而设计的。
CPM2C在一个小巧的单元内综合有各种性能，包括同步脉冲控制，中断输入，脉冲输出，模拟量设定和时钟功能等。CPM2C CPU单元又是一个独立单元，能处理广泛的机械控制应用，所以它是在设备内用作内装控制单元的理想产品，完整的通信功能保证了与个人计算机、其它OMRON PLC和OMRON可编程终端的通信。这些通信能力使用户能设计一个经济的分布生产系统。
4.1.2 CPM2C的基本功能和特点
基本功能见表4-1。
表4-1
CPM2C的特点：
(1) 丰富的指令系统,基本指令和应用指令多达185条。
(2) 中断功能完善，高达20kHz的高速计数器能方便地测量高速运动的加工件。
(3) 高速脉冲输出功能更加完善。
(4) 具有同步脉冲控制功能,可方便地调整输入输出的脉冲频率比值。
(5) 内置时钟功能。
(6) 完善的通信功能。
(7) 可方便地与OMRON的可编程序终端(PT)相连接，为机器操作提供一个可界面。
4.2 CPM2C的操作方式
CPM2C有3种操作方式：PROGRAM，MONITOR和RUN，见表4-2。
表4-2
4.3 同步脉冲控制及脉冲输出功能介绍
4.3.1 同步脉冲控制
CPM2C的晶体管输出型，它的高速计数器功能配合其脉冲输出功能，可以产生一个频率为输入脉冲固定倍数的输出脉冲。见图4-1。
输出是输入频率固定倍数的脉冲
图4-1
4.3.2 CPM2C的高速脉冲输出功能
CPM2C使用01000、01001两个输出点，高速脉冲输出功能更加完善。其脉冲输出功能有以下三种情况：
(1) 两点无加速/减速的单相脉冲输出：输出频率为10Hz—10KHz，占空比50%。
(2) 两点不同占空比的脉冲输出：频率范围为0.1Hz—999KHz，占空比0—100%。
(3) 带梯形加速/减速变化的脉冲输出，分为脉冲＋方向输出和增/减（CW/CCW ）脉冲输出，占空比50%。
脉冲输出模式有2种：独立模式，在此模式下，输出预定数目的脉冲后输出停止；连续模式，在此模式下输出由指令来停止。
图4-2是带梯形加速和减速的脉冲输出。
带梯形加速和加速的脉冲输出原理图见图4-3。
脉冲+方向输出或增/减脉冲输出
01000或01001
0的当前坐标值系统
：设置脉冲输出个数
—)：控制带梯形加速和减速的脉冲输出 ：停止脉冲输出和改变脉冲输出当前值PV PRV(62)：读出脉冲输出当前值PV 和状态
图4-2
图4-3
4.4 脉冲输出的方向控制方式和端口接线
选择脉冲输出的方向控制方式
脉冲输出方向控制方式的选择与所使用的信号类型有关，如图4-4所示。
脉冲＋方向输出
增/减脉冲输出
输出端口接线见图4-5。
增减脉冲输出见图4-6。
01000
01001
01001
01000 图4-4 图4-5
图4-6
4.5 编程相关指令
4.5.1 同步脉冲控制的相关指令
与同步脉冲控制的相关指令见表4-3。
表4-3
SYNC(––)指定脉冲的脉冲输出端口(01000，01001)，频率比例系数和启动脉冲输出。
注：当使用指令SYNC(––) 指定频率比例系数时，一定要将脉冲输出频率设置在10 kHz 以下。
INI(61)指令用来停止同步控制。
注：通过将PLC 机转换为PROGRAM
模式来停止脉冲输出也是可以的。 PRV(62)用来读出脉冲输入频率。
脉冲输入端口指定（000：高速计数器）
脉冲输出端口指定（000：脉冲输出端口0；010：脉冲输出端口1） 频率比例系数 频率比例系数
存储将要设定的频率比例系数
#0001～#1000（4位BCD 码）表示：1％～1000％
端口指定（000：高速计数器） 控制标识（005：停止同步控制
固定为000
固定为000：脉冲输出端口0
控制标识（000：读高速计数器的输入频率）
存储输入频率当前值PV 的起始字
最右边4位数字
00000000～00020000（8位BCD 码）
PRV(62)用来读出同步控制的状态。
4.5.2 带梯形加速和减速的脉冲输出相关指令
与带梯形加速和减速的脉冲输出（占空比固定）相关的操作指令见表4-4。
表4-4
从表4-5可以看出哪些操作指令在带梯形加速和减速的脉冲输出进行时可以执行。
表4-5
PULS(65)指令用来指定在独立模式下要输出的脉冲个数。
注：000: 相对脉冲
001: 绝对脉冲
即：绝对坐标系统的脉冲输出当前值与移动的脉冲数目之和
当脉冲输出当前值的坐标系统在PLC 设置中设置为一绝对坐标系统时，只能通过PULS(65)指令来指定脉冲输出的类型为绝对脉冲。
固定为000：脉冲输出端口0 脉冲输出的类型（000：相对脉冲；001：绝对脉冲） 设置脉冲个数的起始字 最右边4位数字
最左边4位数字 脉冲个数（最右边，最左边位数字）
存储设置的脉冲个数的寄存器。 存储范围为96,777,215～16,777,215
负数可通过置最左边的负数标志位为ON 来表示。
输出端口指定（000：脉冲输出端口0；010：脉冲输出端口1）
控制标识（001：读同步控制的状态） 存储同步控制状态的起始字
ACC(––)指令用来设置脉冲的频率，加速/减速变化率和在离散模式下启动脉冲输出。
注： 脉冲的加速/减速变化率就是每10ms 脉冲的频率增加或减少的数值。
ACC(––)指令用来设置脉冲的频率，加速/减速变化率和在连续模式下启动脉冲输出和改变脉冲频率。
注： 脉冲的加速/减速变化率就是每10ms 脉冲的频率增加或减少的数值。
INI(61)指令用来改变脉冲输出当前值PV 。
固定为000：脉冲输出端口0 脉冲输出模式指定 设置表的起始字 输出模式
指定脉冲的输出模式
000
：增/减脉冲输出，独立模式
002：脉冲＋方向输出，独立模式
加速/减速变化率（#0001～#1000 BCD 码表示：10 Hz ～10 kHz ）
目标频率（#0001～#1000 BCD 码表示：10 Hz ～10 kHz ）
开始频率（#0001～#1000 BCD 码表示：10 Hz ～10 kHz ）
固定为000：脉冲输出端口0 脉冲输出模式标识
设置表的起始字
输出模式
指定脉冲的输出模式
010：增/减脉冲输出，CW ，连续模式 011：增/减脉冲输出，CCW ，连续模式 012：脉冲＋方向输出，CW ，连续模式 013：脉冲＋方向输出，CCW ，连续模式
加速/减速变化率（#0001～#1000 BCD 码表示：10 Hz ～10 kHz ）
目标频率（#0001～#1000 BCD 码表示：10 Hz ～10 kHz ）
开始频率（#0001～#1000 BCD 码表示：10 Hz ～10 kHz ）
INI(61)指令用来停止脉冲输出。
ACC(––)指令用来减速停止脉冲输出。
固定为000：脉冲输出端口0
控制标识（004：改变脉冲输出当前值PV ） PV 值变化数据的起始字
最右边4位数字 最左边4位数字
改变PV 值（最右边位，最左边位数字） 存放将被改变的PV 值。 存储范围为96,777,215～16,777,215
负数可通过置最左边的负数标志位为ON 状态来表示。 注：脉冲输出的当前值PV 只有当脉冲输出停止时才可以改变。
固定为000：脉冲输出端口0 控制标识（003：停止脉冲输出） 固定为000
固定为000：输出端口指定 模式标识 设置表的起始字
加速/减速变化率（#0001～#1000 BCD 码表示：10 Hz ～10 kHz ）
目标频率（#0001～#1000 BCD 码表示：10 Hz ～10 kHz ） 开始频率（#0001～#1000 BCD 码表示：10 Hz ～10 kHz ）
第5章CPM2C控制R7D-APA3H伺服驱动器
5.1 编程实例1 独立模式下的梯形加减速
本实例中要求当执行条件位(00005)置于ON状态时，有1000个脉冲从输出端口01000（脉冲输出端口0）输出，其脉冲频率变化如图5-1所示的梯形加/减速变化方式，用独立脉冲方式来实现。
图5-1
解题思路可见图5-2。
图5-2
根据图5-2所示流程可编程序如下。
CPM2C控制R7D-APA3H伺服驱动器接线图见附录2。
5.2 编程实例2 正反转和加减速的结合控制
在这个例子中，要求实现如图5-3对正反转和加减速的结合控制，执行条件：00005，方向指定器：00006。
题目分析及解答：
当执行条件位(00005)置于ON 状态时，频率为100Hz 的冲动脉冲从脉冲输出端口01000（CW 方向）或脉冲输出端口01001（CCW 方向）输出。当执行条件位(00005)置于OFF 状态时，脉冲输出停止。通过改变方向指定位(00006)的方法可以实现输出端口01000（CW 方向）与输出端口01001（CCW 方向）之间的切换。
ON 状态
SV 数据的起始字 脉冲输出端口0
独立模式，增/减脉冲输出
设置表的起始字
1000个脉冲
DM0012加/减速变化率：10Hz/10ms 目标频率：500 Hz 开始频率：200 Hz
图5-3