CN111816039A

CN111816039A - 一种机电传动控制系统及控制方法

Info

Publication number: CN111816039A
Application number: CN202010766472.3A
Authority: CN
Inventors: 庞党锋; 崔健
Original assignee: Tianjin Sino German University of Applied Sciences
Current assignee: Tianjin Sino German University of Applied Sciences
Priority date: 2020-08-03
Filing date: 2020-08-03
Publication date: 2020-10-23

Abstract

本发明公开一种机电传动控制系统及控制方法，涉及机械自动控制技术技术领域，系统主电路将外部电源先与主电源断路器相连，伺服电源断路器控制高压电路的通断；伺服控制电路控制伺服电机运动；变频调速电路通过倍福控制器的模拟量输出信号控制交流电机的转速；倍福控制器电路，通过数字信号和模拟信号控制伺服驱动器和变频器的逻辑控制；PLC控制电路控制门上的接近开关，进行安全保护，并与系统电源断路器的引线、伺服控制电路的接近传感器相连接，形成回路。本发明增编写PLC的程序使电机可以实现逻辑控制、变频调速系统，绘制了人机交互界面，并提供了电控制系统的电气接线原理和控制原理，增强了系统的实用性。

Description

一种机电传动控制系统及控制方法

技术领域

本发明公开涉及机械自动控制技术技术领域，尤其涉及一种机电传动控制系统及控制方法。

背景技术

目前，机械电子工程和机械制造及其自动化是对电动机、变频器、伺服系统等典型产品的工业现场应用。

实践教学一般通过以下几种方法解决:一是通过购买相关实验教具厂商的产品，但生产厂家和学校实践教学相脱节。二是通过虚拟仿真的方法完成，该方法一般通过简单的原理性实验和虚拟仿真相结合，达不到锻炼学生动手能力和提高综合素质的目的。

原有的实验平台，首先对于学生的操作并不是很方便，会比较碍事。其次如果想去了解整个设备的接线及控制关系时，只能到设备的后方去观察，但前方的一些电气元件的接线又会看不见，在实际的课程中给本发明带来了很大的麻烦。还有就是功能比较固定，操作不灵活，如果本发明想加入其它的电气元件，会没有地方放置。不能自主的去接线和摆放电气元件，这样就缺乏了实战性。

在机电控制领域的许多技术过程和产品表明，机械与电子和信息处理之间的集成越来越紧密。这种集成位于组件(硬件)和信息驱动功能(软件)之间，从而形成了称为机电系统的集成系统。现有技术的开发涉及在基本机械结构，传感器和执行器的实现，自动数字信息处理和整体控制之间找到最佳平衡，这种协同作用可带来创新的解决方案。

因此，机电一体化是一个跨学科领域，其中以下学科共同发挥作用，机械系统(机械元件，机器，精密机械)；电子系统(微电子，电力电子，传感器和执行器技术)；信息技术(系统理论，控制与自动化，软件工程，人工智能)。

机电控制系统的开发分为四个阶段。20世纪初，机电一体化仅通过接触器和继电器就实现了控制。在1930年代，控制系统从间歇控制演变为连续控制，提高了生产力。在1950年代后期，出现了晶体管和晶闸管，由于晶体管和晶闸管的优势，机电控制系统的新时代已经开启。随着数字与信息技术的发展，控制系统已经来到了新的阶段计算机数字控制。自1970年代以来，计算机数控系统已用于CNC机床和加工中心，以提高机床的多功能性和效率，并广泛用于生产中。随着工业机器人的诞生，本发明实现了完全自动化的机加工流程。如今，随着科学技术的不断发展，机电控制系统也正朝着智能化的方向发展。

鉴于课程实验的重要作用，其创新一直以来都是重要的研究和建设方向。

机电传动控制实验过程和所用的实验器材是支撑这门课的关键，很多高校和机构也相应的对实验平台开展了一些研究。

西安建筑科技大学的王蕊研制了基于PLC的机电液一体化实验平台测控系统。平台通过变频器直接转矩控制电动机的输出转矩，研究柴油发动机和电动机在动力耦合输出时参数变化，在一定程度上对动力输出稳定性的后续研究提供了一定的参考。

斯洛伐克的Besada Portas发布了基于TwinCAT，实验室Java服务器应用程序和Easy Java Simulations (EJS)的结合使用，为系统工程和自动化控制课程开发了一个远程实验室。TwinCAT系统用于通过PC 中的PLC闭合所选工厂的控制回路。

马里兰大学建立了一个机电一体化实验室，其特点是具有工业选择性合规的铰接式机械臂，具有用于指导和零件检查的高架机器视觉。

可编程逻辑控制器(PLC)的设计，是用以取代继电器面板的使用，PLC克服了继电器面板的所有缺点。在涉及制造业、化学工业和过程工业中存在顺序控制和同步的应用中能非常高效且可靠。PLC以其方便，快速，可靠，系统简介和成本低廉等优点在工业中变得越来越流行。当前，用于执行系统逻辑的大多数控件已被PLC代替。

迪克·莫利(Dick Morley)于1968年1月1日构思了第一个可编程控制器。他的公司Gould Modicon Company开发出第一个PLC，084型PLC安装在通用汽车公司的Oldsmobile部门和宾夕法尼亚州Landis 的Landis公司。第一个PLC大而昂贵。他们仅能进行开/关控制，从而将其应用限制为需要重复移动的操作。

通过上述分析，现有技术存在的问题及缺陷为：(1)原有的电传动实验平台及控制设备，操作不方便，整个设备的接线及控制关系信息不易获取，只能到设备的后方去观察，但前方的一些电气元件的接线又会看不见，在实际的应用带来了很大的麻烦。

(2)原有的电传动实验平台功能比较固定，操作不灵活，如果想加入其它的电气元件，会没有地方放置。不能自主的去接线和摆放电气元件，造成设备实用性受限。

解决以上问题及缺陷的意义为：

本发明以开放式机电传动控制实验平台为对象，首先通过现有的机电传动控制平台进行先期的理论了解和电气原件的布局，分析其供电原理和控制原理。继而使用EPLAN等专业电气绘制软件进行电气原理图的绘制，之后通过三维仿真的手段进行电气柜的设计和模拟摆放各电器元件之间的位置，从而设计出合理的电气柜布局图。然后进行电器柜的基本组装和各电器元件的安装，其中的电气元件包括倍福IPC、西门子PLC、LS伺服驱动器、LS变频器、电机等，之后根据电气接线图进行正确的接线。最后进行各元件的调试，并通过软件编程，确认是否可以施行。

发明内容

为克服相关技术中存在的问题，本发明公开实施例提供了一种机电传动控制系统及控制方法。

所述技术方案如下：根据本发明公开实施例的第一方面，提供一种机电传动控制方法，包括：

步骤一，建立HMI人机交互界面，进行交流电机运动控制、伺服电机运动控制中运动参数的设置；

步骤二，链接交流电机运动控制、伺服电机运动控制中的变量；

步骤三，PLC控制电路接收所述交流电机运动控制的变量，通过变频调速电路判断交流电机是否达到预期转速，并控制变频调速电路的门上的接近开关，进行交流电机运动速度的调控；

PLC控制电路接收所述伺服电机运动控制中的变量，通过伺服控制电路判断伺服电机是否根据设定值运动，并控制伺服控制电路的门上的接近开关，对伺服电机运动速度及位置进行调控。

优选地，所述步骤三后，通过触摸屏幕监控系统主电路、伺服控制电路、变频调速电路、倍福控制器电路、PLC控制电路的动作、状态及运行数据，进行进行示波。

优选地，交流流电机运动控制方法包括：

步骤1，交流电机运动控制运动参数的设置：将变频器的参数设定为1，由端子驱动运行；将变频器参数设定为3，改变接收信号的方式，进行模拟量接入、电压控制；

步骤2，链接交流电机运动控制的变量，所述变量包括电源频率、感应电动势；

步骤3中，变频调速电路判断交流电机是否达到预期转速，通过加速减速控制模式、V/f控制模式及脉冲宽度调制控制模式对变频器输出电压的幅值和频率进行控制，使

E为电动机的感应电动势。

优选地，伺服电机运动控制方法包括：

步骤1)，建立HMI人机交互界面，进行伺服参数设置，输入Z轴当前位置：％.2f，％.2f代表数据类型的显示为浮点数数据类型，并只保留小数点后两位；

步骤2)设置所关联的变量，显示X轴的实际位置；选择伺服驱动器的IP，再在HMI上面显示Z轴和X轴的当前位置；并通过多个按钮控件，对伺服电机轴进行使能、点动、相对位移和置零；

步骤3)对伺服电机轴进行使能、转动、大拖板移动、轴停止进行在线监控；

步骤4)进行示波，分别连接变量MAIN.AXIS1.NCTOPLC.ACTVELO和MAIN.AXIS1.NCTOPLC.ACTPOS，MAIN.AXIS2.NCTOPLC.ACTVELO和MAIN.AXIS2.NCTOPLC.ACTPOS对伺服轴的的实际速度和实际位置进行控制。

根据本发明公开实施例的第二方面，提供一种机电传动控制系统，包括：

系统主电路，将外部电源先与主电源断路器相连，再将系统电源断路器与伺服电源断路器与主电源断路器相并联；形成系统电源断路器控制低压电路的通断，伺服电源断路器控制高压电路的通断；

伺服控制电路，采用伺服驱动器控制伺服电机运动，进行大拖板和中拖板的可控运动；

变频调速电路，采用变频器调速，通过倍福控制器电路的模拟量输出信号控制交流电机的转速；

倍福控制器电路，通过数字信号和模拟信号控制伺服驱动器和变频器的逻辑控制；

PLC控制电路，控制伺服控制电路和变频调速电路的门上的接近开关，进行安全保护，并与系统电源断路器的引线、伺服控制电路、变频调速电路相连接，形成回路。

优选地，所述系统主电路

包括：主电源断路器，用于系统供电；

系统电源断路器，用于控制PLC控制电路通断电；

伺服电源断路器，用于控制变频器、伺服驱动器、伺服电机和交流电机通断电；

熔断器，用于保护电路；

开关电源，将交流380V整流为直流24V电压。

优选地，所述伺服控制电路包括：

伺服驱动器，控制伺服电机运动；多个伺服驱动器从伺服电源断路器引出接线后，将多台伺服驱动器相互并联，多台伺服器之间的网络使网络协议与倍福控制器电路进行通信；

编码器，用于对网络协议及进行伺服驱动器通信的信息进行编码；

门上的接近开关，用于进行伺服电机安全保护；所述门上的接近开关通过接近传感器进行控制，当开门操作时使伺服电机停止工作。

优选地，所述变频调速电路包括：

变频器，用于控制交流电机转速；通过伺服电源断路器引出接线后，将两台变频器相互并联，所述变频器的低压控制信号与倍福控制器相连接，控制交流电机运行速度；

倍福控制器触点，用于倍福控制器的模拟量信号输出；

两个变频调速门上接近开关，当开门操作时使交流电机停止工作；

所述倍福控制器电路包括：耦合器、模拟量输出模块、通讯模块、数字量输入模块、数字量输出模块；所述耦合器与系统电源断路器引出接线连接；所述模拟量输出模块、通讯模块、数字量输入模块、数字量输出模块之间通过E-BUS的六个触点进行数据传输和电力供给。

所述机电传动控制系统进一步包括：

触摸屏幕，用于监控系统主电路、伺服控制电路、变频调速电路、倍福控制器电路、PLC控制电路的动作、状态及运行数据，进行进行示波。

根据本发明公开实施例的第三方面，提供一种计算机设备，所述计算机设备包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，所述计算机程序被所述处理器执行时，使得所述处理器执行如下步骤：

建立HMI人机交互界面，进行交流电机运动控制、伺服电机运动控制中运动参数的设置；

链接交流电机运动控制、伺服电机运动控制中的变量；

PLC控制电路接收所述交流电机运动控制的变量，通过变频调速电路判断交流电机是否达到预期转速，并控制变频调速电路的门上的接近开关，进行交流电机运动速度的调控；

PLC控制电路接收所述伺服电机运动控制中的变量，通过伺服控制电路判断伺服电机是否根据设定值运动，并控制伺服控制电路的门上的接近开关，对伺服电机运动速度及位置进行调控；

通过触摸屏幕监控系统主电路、伺服控制电路、变频调速电路、倍福控制器电路、PLC控制电路的动作、状态及运行数据，进行进行示波。

本发明公开的实施例提供的技术方案可以包括以下有益效果：

本发明基于原有的机电传动控制实验平台的开放式设计及制作，对原有平台上的设备进行了深入的分析，确定了相关的控制流程及原理。做了理论分析和设计。本发明根据已有的实验平台，在先期进行理论分析及设备原理分析。找出原有设备的不足之处。使用绘图软件进行重新设计，包括使用Eplan进行电气原理图的绘制及开放式实验平台的外观设计。本发明进行了测试实验、编写程序，检测新平台可以达到预期要求。包括可以完成对轴的伺服控制，可以使用变频器进行变频调速。

相比于现有技术，本发明的优点进一步包括：

本发明可以很好的结合过去所学的其它知识，开放性强，实验的内容可以紧贴实际，还可以自主添加其他的电气元件来实现其他的功能，覆盖面很广。

本发明让实验更具有实际意义，更能体现理论结合实际的过程。实验的过程更加能贴近实际的产品装调过程，让实践更具有实际意义充满实战性。

本发明设备的开放性很强，这可以加强学生的动手能力，同时还可以根据实验目标，从元器件的选择、电路的设计、到安装调试，都可以很好的进行，还可以动手接线，有利于加深学生的感性认识。

本发明增编写PLC的程序使电机可以实现逻辑控制、变频调速系统，绘制了人机交互界面，并提供了电控制系统的电气接线原理和控制原理，增强了系统的实用性。

当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性和解释性的，并不能限制本公开。

附图说明

此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本公开的实施例，并与说明书一起用于解释本公开的原理。

图1是本发明实施例提供的三相绕线原理图。

图2是本发明实施例提供的三相对称交流电原理图。

图3是本发明实施例提供的伺服电机实物图。

图4是本发明实施例提供的编码器工作原理图。

图5是本发明实施例提供的LSLV-C100控制框图。

图6是本发明实施例提供的加速减速线形图。

图7是本发明实施例提供的异步电动机的稳态等效电路。

图8(a)是本发明实施例提供的LSLV-C100变频器示意图一；图8(b)是本发明实施例提供的LSLV-C100 变频器示意图二。

图9是本发明实施例提供的主电路图。

图10是本发明实施例提供的伺服控制电路图。

图11是本发明实施例提供的变频调速电路图。

图12是本发明实施例提供的变频调速电路图。

图13是本发明实施例提供的西门子PLC控制电路图。

图14是本发明实施例提供的三维模型图。

图15是本发明实施例提供的实验平台工作流程图。

图16是本发明实施例提供的逻辑控制程序图。

图17是本发明实施例提供的控制原理图。

图18是本发明实施例提供的当前位置示意图。

图19是本发明实施例提供的在线监控图。

图20是本发明实施例提供的示波器监控图。

图21是本发明实施例提供的30组定位误差图。

图22是本发明实施例提供的Z轴的线性拟合图。

图23是本发明实施例提供的X轴的线性拟合图。

具体实施方式

这里将详细地对示例性实施例进行说明，其示例表示在附图中。下面的描述涉及附图时，除非另有表示，不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。以下示例性实施例中所描述的实施方式并不代表与本公开相一致的所有实施方式。相反，它们仅是与如所附权利要求书中所详述的、本公开的一些方面相一致的装置和方法的例子。

本发明提供一种机电传动控制方法，包括：

在本发明中，交流流电机运动控制方法包括：

E为电动机的感应电动势。

在本发明中，伺服电机运动控制方法包括：

本发明还提供一种机电传动控制系统，包括：

所述系统主电路包括：主电源断路器，用于系统供电；

系统电源断路器，用于控制PLC控制电路通断电；

熔断器，用于保护电路；

开关电源，将交流380V整流为直流24V电压。

在本发明中，所述伺服控制电路包括：

优选地，所述变频调速电路包括：

倍福控制器触点，用于倍福控制器的模拟量信号输出；

所述机电传动控制系统进一步包括：

下面结合硬件或相关设备对本发明作进一步描述。

PLC的选择：

可编程控制器不仅容易安装、占用空间小、能源消耗小、大多带有诊断指示器可以帮助故障诊断，而且可以被重复使用到其他的项目中去。目前，有十几家制造商生产PLC，例如：西门子、ABB、施耐德、三菱、欧姆龙、博世力士乐等，这些公司中的大多数都制造了多种型号。

根据此次任务的要求，通过性能和经济性合理的选择。本发明所用PLC为西门子S7-200PLC(DC/DC)。

PLC与其他控制器的对照比较:

(1)PLC与继电器控制系统的比较

在漫长的工业进程中，继电器的使用已经是很广泛了，但与PLC相比，由于物理性质，已经很难满足现代工业控制的需求了，继电器控制是硬触点和硬接线，容易造成设备短路、易磨损、使用寿命不长，而 PLC是采用内部虚拟的触点进行控制，所以没有物理上的损耗。其它的差别如表PLC与继电器比较所示。

表PLC与继电器比较

(2)PLC与单片机控制系统的比较

从广义上讲PLC其实就是一套已经做好的单片机器，PLC与单片机应用于两个交叉的领域，PLC当初产生的背景就是利用单片机找到一种可以经常更改电气图的控制器，发展到今天，PLC已经增加了许多功能，而这些是单片机无法实现的。表PLC与单片机比较给出了PLC与单片机控制功能与特点的比较。

表PLC与单片机比较

(3)PLC与计算机控制系统的比较

现代的计算机已近拥有了很高的计算与数据处理能力，计算速度逐年提高，但是工业控制的许多方面仍然缺少PLC功能，如表PLC与PC比较所示。

表PLC与PC比较

现场总线的选择：

现场总线技术旨在定义一个串行通信网络，用于连接工厂或加工厂中的低级设备，包括传感器，执行器，单变量控制器和小型(通常是嵌入式)计算机。现场总线的比特率低于MAP或miniMAP网络的比特率，但其功能可满足一系列要求，这些要求对于最低级别的自动化控制至关重要，包括实时响应，低成本，安全性和动力总线。

1984年，ISO发布了一个特殊的标准，即开放系统互连的国际标准参考模型。该标准的目的是为协调各种计算机的互联，同时允许将现有标准置于该模型内，如表OSI模型所示。

表OSI模型

物理层：涉及用于数据传输所需要的机械和(光学或)电的装置。它主要负责传输位信息。一些通信系统，尤其是现场总线系统，非常依赖于物理层包含的功能。

数据链路层：是现场总线系统中最重要的一层，因为该层准确地定义了与实时行为，有效速度等相关的系统功能。

网络层：提供了所有你在一个开放的通信系统需要路由数据从一个应用到其他的手段。

传输层：优化了可用网络服务的使用，以最低的成本提供每个会话实体所需的性能。

会话层：同步应用程序之间的数据交换。建立和断开会话连接并定义同步点。

表示层：如果使用特殊语法进行数据传输，例如，以Pascal字符串开头的字符数，然后是字符本身，则应用程序使用另一种语法，例如以字符串结尾的C字符串。通过特殊的终止字符，则表示层对于语法转换是必需的。

应用层：提供一切所必需的两个应用程序交换信息的手段。

倍福控制器的选择：

将以太网高速传输技术引入到工业控制领域。这种应用推动了自动化技术与互联网技术的结合，是自动化技术的发展趋势。

Beckhoff公司提出的Ethercat实时以太网技术。当前，它被广泛用于工业自动化和运动控制。随着工业自动化快速的发展，可靠性、快速性和稳定性成为工业现场总线控制技术的一个重要领域。但是，对于快速响应时间小于5ms的情况，工业现场总线可能不够充分。所以有些企业和组织开始提出基于以太网的解决方案来满足实际应用中的需要。

与其他基于以太网的自动化解决方案相比，Beckhoff的Ethercat的效率最高，周期时间最短，带宽使用率最高。广泛用于工业生产的自动化管理。性能优良，拓扑灵活，配置功能简单。这为传统的现场总线系统达到极限设定了新的标准。30秒内可分配1,000个分布式I/O，几乎不受限制的网络规模以及与以太网和Internet技术的最好融合。Ethercat允许用简单的线形或树形结构替换昂贵的星形以太网拓扑。无需昂贵的基础架构组件。可以通过交换机或交换机端口集成所有类型的以太网设备。该系统的具体实现过程是：把具备实时处理能力的用于控制的软件安装于PC机的操作系统，做完这个工作后，PC机的操作系统就成为了实时控制器。

倍福EtherCAT系统组成和工作原理

在某些涉及电气驱动的相关应用例如(协调)运动控制，现场总线的性能可能无法令人满意(代表了明显的异常)。实时以太网的引入至少在原则上可以克服上述大多数限制。实时以太网络是基于众所周知的原始以太网规范的高速通信系统(100/1000Mbits/s)，专为工业应用而设计，以确保非常短的传输时间以及对周期性流量和时间的严格确定性。

EtherCAT网络由一个主站设备和多个从站设备组成。主站单元使用高兼容性和标准的以太网控制器，配有EtherCAT的主站网络接口的计算机和带有以太网控制的嵌入式设备都可以成为主站。Beckhoff开发的TwinCAT软件是主站的主要控制软件。

EtherCAT运行原理为：主站发送高达1486字节的数据帧，从站可以直接处理接收的报文，并提取或插入相关数据，然后由上一从站处理过的报文传输到下一个EtherCAT从站。最后一个EtherCAT从站发回经过所有从站处理过的报文，主站接收报文后经过分析比对后发送给控制单元。

控制器及输入输出模块的选用

控制器CX9020：CX9020是一个紧凑型、高性能、高效的PLC和运动控制器。在Beckhoff控制领域中它被安装在总线端子控制器系列BX和嵌入式PC CX1000之间。能在Microsoft Windows CE操作系统下运行。这样它提供了足够的计算能力，完全能够处理复杂的逻辑程序。CX9020不需要外部存储媒介 --设备通过内部的闪存启动操作系统。此模块的散热因功耗不高，所以无需风扇。该装置是一个模块化的机械设计。这个小型的装置基本的构型只有58x 100x 91mm。

EL1008、EL2008、EL4002分别为数字量输入模块、数字量输出模块、模拟量输出模块。都有八个通道用于自动化控制，当使用通道时其对应的LED灯会点亮，这三个模块都需要使用总线耦合器通过e-bus 系统供电。

EK1100耦合器:EK1100耦合器，用于连接EtherCAT与EtherCAT端子模块。耦合器通过上面的以太网接口与网络相连。

下面结合具体实施例对本发明作进一步描述。

1)LS伺服驱动器

伺服驱动器(servo drives)，是用来控制伺服电机的控制器。其功能类似于变频器。它是伺服系统的一部分，主要用于高精度定位系统。通常以三种方式控制执行器：位置，速度和扭矩，以精确定位系统。

位置控制模式：以位置为控制目标，接受上位机发送的位置控制指令，通过内部算法来驱动电机，最终使给定位置与反馈位置的误差为0，从而实现位置的跟随。主要用于印刷机械、数控机床等场景。

转矩控制模式：是以转矩为控制目标，接受上位机发送的转矩指令，内部通过一定算法驱动电机，使得实际转矩与给定转矩的误差为0，从而实现转矩控制。主要应用于绕线和拉光纤设备上。

速度控制模式：以转速为控制目标，接受上位机发送的速度控制指令，通常是模拟量电压，内部通过一定的算法驱动电机，使反馈转速与给定转速误差为0，从而实现速度控制。

在这次的任务中需要实现使用倍福控制器通过EtherCAT网络协议来完成两根伺服轴的运动控制，所以选用的伺服驱动器以及伺服电机的通讯接口必须相通，所以本发明采用的伺服驱动器为L7NA001B如图 1所示。L7NA001B伺服驱动器接口。各接口说明如表1所示：

表1伺服驱动器接口说明

L7NA001B伺服驱动器的外形尺寸紧凑，可在有限的范围内安装，需要使用3相AC200-230(V)50～60Hz 电源连接，其控制伺服电机的控制电源为单相AC200-230(V)50～60Hz，内部接口内置了基于实时以太网的接口可以和其它同协议的控制器或从站相通信。与编码器的连接方式包括单圈绝对值19Bit和多圈绝对值16位(单圈是指在上电的瞬间就能反馈当前的绝对角位置，多圈还可以反馈自最开始使用时已近旋转了多少圈)。响应速度高，最大为1kHz(当使用19-bit单圈绝对值编码器时)。支持多种控制模式：循环同步(位置、速度、扭矩)控制模式、预设(位置、速度、扭矩)控制模式、归巢模式、插补模式。在整体上的使用方便快捷易维护，故障率低。

本发明同时利用EtherCAT通信，连接主服务器(控制器)与从服务器。

2)伺服电机

本发明所用到了两台伺服电机(型号为LS APM-SA01AMBN)和两台交流电机，这两种电机的结构相同。伺服电机控制大拖板和中拖板的移动，交流电机分别作用于主轴和钻台。

交流伺服电机是一种交流电机，其中包括与控制器配合使用的编码器，以提供闭环控制和反馈。该电机可以高精度放置，也可以根据应用要求进行精确控制。

交流伺服电机主要由定子、转子和编码器三部分组成。定子三相对称绕组中通以三相对称电流产生定子旋转磁场，该旋转磁场将磁化转子，当转子线圈在定子旋转磁场的磁化作用下，转子线圈中将产生三相感应电动势，三相感应电动势再形成转子磁场驱动转子旋转(此为异步电机)。当转子为永磁体时即为同步电机。

旋转磁场：电流从尾端(X、Y、Z)流入、首端(A、B、C)流出为正；三相绕组的轴线如图1所示。很显然，A轴、B轴和C轴在空间互成120°。

在上述三相对称绕组中通以下列三相对称电流：

三相对称电流随时间的变化曲线如图2三相对称交流电原理所示。

对于一对两极电机，定子每相电流的最大值随时间变化一次，则相应的合成磁场就旋转一周。考虑到每相电流一秒内变化f₁次，于是得两极电机旋转磁场的转速为：

n₁＝60f₁(r/min) (2)

对于p对极电机，定子每相电流的最大值随时间变化一次，则相应的合成磁场将仍移动两个极距或

周。考虑到每相电流一秒内变化f₁次，则相应的合成磁场一秒内将旋转

周，由此求得合成磁场的转速为：

定子如图3伺服电机所示：由定子铁芯和定子绕组构成，交流伺服电机的定子是三相绕组，其绕组分别相差120°放置，通以三相交流电后产生一个旋转磁场。

交流伺服电动机的转子是永磁体，转子根据定子产生的旋转磁场的影响而同步旋转。

编码器(光电传感器)：编码器装在转子的转轴上的，当转子转动的时候编码器的码盘也跟着转动，编码器输出脉冲反馈到伺服驱动器。

编码器的结构：编码盘、发光器、光电接收器、放大电路。编码器码盘的原理：外围输出为A相脉冲、中间输出为B相脉冲、最里面输出为Z相脉冲。编码器的精度越高，其盘面上的间隔越多。

编码器工作原理如图4所示包括：光电接收管接收最外面码盘的信号，光电接收管接受中间码盘的信号，光电接收管接受最内部的信号。

当编码器旋转时，光发射器发出的光通过码盘照射在光电接收器上。光电接收器将光信号转换为电信号，并将其发送到放大器电路变成脉冲信号，再回馈给伺服驱动器以形成闭环系统。A相与B相要有一定的相位差。

3)LS变频器

变频器是交流电气传动系统的一种，是将交流工频电源转换成电压、频率均可变的适合交流电机调速的电力电子变换装置。变频器的工作原理是通过改变电动机的工作电源频率，实现对电机转矩以及转速的改变。变频器控制的对象为交流电动机。本发明采用的型号为LSLV-C100。

变频调速的优势(与其他交流电机调速方式的对比)变频调速的优势有：(1)无极调速，调速精度达； (2)平滑软启动，确保电机安全；(3)在机械允许的情况下可以通过提高变频器的输出频率来提高工作效率；(4)非常方便点的接入通讯网络控制，实现生产自动化；(5)电机正反向无需通过接触器切换。

目前市场主流的变频器基本结构包括：

整流器：将交流电变成直流电。逆变器：将直流电转换成为交流。

图5为LSLV-C100控制框图。包括：

加速减速方式：在负载加减速的过程中，变频器的输出频率随时间的变化关系曲线称为加减速方式。一般的变频器有三种线性方式(线性、非线性、S曲线性)，可根据负载的特性进行参数设置。例如：如果设定最大频率设定为60Hz，加减速时间设定为5秒。运转频率设定为30Hz时,到达30Hz的时间为 2.5秒，如图6加速减速线形图。

在本发明中，V/f控制：

当电机的电源频率改变时,电机的内阻也随之改变,使电机的励磁电流发生变化,从而对电机的输出转矩造成影响,调速系统的性能也随之受到影响。压控制方式的目的就是为了得到理想的转矩一速度特性。为了使励磁电流不发生变化,只需要磁通在调速过程中保持不变,为了实现这一目的,就要在改变电源频率的同时改变感应电动势,使频率和电压的比值为一个常数。又由于因电动机定子阻抗而消耗的压降远小于定子上的电压,所以感应电动势可以用电源电压来代替。

在图7给出的异步电动机等效电路(稳态等效电路)中，设电动机的气隙磁通用φ表示，则可以看出，励磁电流I_M，感应电势E和气隙磁通φ有如下关系：

φ＝MI_M (4)

因此，为使气隙磁通φ在整个调速过程中保持不变，只需在改变电源频率f的同时改变感应电动势E，使其满足：

在电动机的实际调速控制过程中，由于E为电动机的感应电动势，无法直接进行检测和控制，必须采用其它方法才能使(6)得到满足。

另一方面，从图7的等效电路还可得知：

V＝I₁Z₁+E (7)

其中：

Z＝j2πL₁+r₁ (8)

为定子阻抗。因此，当定子阻抗上的压降与定子电压相比很小时，由于V≈E,所以，只要控制电源电压和频率，使得(6)成立。

PWM：脉冲宽度调制控制，是指逆变电路部分同时对输出电压(电流)的幅值和频率进行控制的控制方式。本发明使用的变频器为LSLV-C100如图8LSLV-C100变频器。

图8(a)、图8(b)中，A-下载接口、B-PNP/NPN选择开关、C-模拟输入V/I选择、D-面板控制端子、 E-电源端子、F-接地端子。

4)威纶触摸屏

通过触摸屏幕上的图形按钮，触摸反馈系统可以根据预编程的程序来操作各种链接设备。可以使用显示屏创建动态的声音和视频效果。作为现代计算机输入屏幕，触摸屏是当前人机交互最简单、舒适和自然的方式。还可用来监控操作现场各种设备的动作、状态、数据等。监控的对象包括PLC、电动机、变频器、一些仪器仪表等，所有的自动化设备都可以作为被控对象，来被触摸屏监控。

5)系统电气控制部分

设备的硬件电路包括系统主电路、伺服控制电路、变频调速电路、倍福控制器电路、西门子S7-200PLC 控制电路。此次所用的电路绘制软件为EPLAN，它集成了电气设计、信号模拟、3D控制柜建模、设备选型、支持多种电气标准等。一些特殊的器件可以快速的从网络上下载所需设备的参数和模型，很适用于电气设计。

5.1)系统主电路

系统主电源供电为380V/50Hz,电路图如图9所示。

图9中各部分作用如下：F1：为主电源断路器，起到系统供电功能、F2：为系统电源断路器，起到控制PLC通断电功能、F3：为伺服电源断路器，起到控制变频器、伺服驱动器、伺服电机和交流电机通断电功能、F4：为熔断器，保护电路、V2：开关电源将交流380V整流为直流24V电压。

将外部电源先与F1主电源断路器相连，之后再将F2系统电源断路器与F3伺服电源断路器与F1主电源断路器相并联。从而形成F2控制低压24V电路的通断，F3控制高压220V电路的通断。

5.2)伺服控制电路

使用伺服驱动器控制伺服电机运动，来实现大拖板和中拖板的可控运动，如图10所示。

图10中各部分作用如下：SF1、SF2：为LS伺服驱动器，控制伺服电机运动、M1、M2：为伺服电机、 BMQ1、BMQ2：为编码器、KM1：为门上的接近开关，起到安全保护作用。

从F3伺服电源断路器引出接线后，将两台伺服驱动器相互并联，使其供电。两台伺服器之间的网络使用EtherCAT网络协议与倍福CX9020控制器进行通信。KMI、KM2被接近传感器所控制，当开门操作时达到可以让电机停止工作的效果。

5.3)变频调速电路

使用变频器调速，通过倍福控制器的模拟量输出信号来控制交流电机的转速，如图11所示。

图11中各部分作用如下：LS1、LS2：为LSLV-C100变频器，控制电机转速、M3、M4：为交流电动机、P1、AI1、RW1、ALM1、SA3.2、FW2、AI2、ALM2:均为倍福控制器触点。

通过F3伺服电源断路器引出接线后，将两台变频器相互并联，低压控制信号与倍福控制器模块相连接，达到控制作用，两个KM1开关与伺服控制电路中的KM1开关作用相同。

5.4)倍福控制器电路

通过数字信号和模拟信号来控制伺服器和变频器的逻辑控制器，如图12所示。

图12中各部分分别为：A3:EK1100耦合器、A4:EL4002模拟量输出模块、A5:通讯模块、A6:EL1008 数字量输入模块、A7:EL2008数字量输出模块。通过F2系统电源断路器引出接线后，与倍福控制器的 EK1100耦合器相连接，其他模块通过各模块之间通过E-BUS的六个触点进行数据传输和电力供给。

PC通过以太网线与控制器相连接。

5.5)西门子S7-200PLC控制电路

控制门上的接近开关，起到安全保护，如图13所示。

通过系统主电路的系统电源断路器引出接线后，与西门子PLC相连接。接近传感器与PLC的端子进行连接形成回路。

5.6)实验平台3D模型与实物图

为了提高实验平台的设计效率，利用EPLAN进行了3D模型的绘制，如图14所示。绘制出的模型图，用于前期电气元器件的布局安装设计。之后的实体装配会根据此图上元器件的位置作为重要参考。

表2设备说明

下面结合实验平台程序设计对本发明作进一步描述。

1)Twi nCAT软件

TwinCAT的是“The Windows Control and Automation Technology”的缩写，是基于PC平台和Windows 操作系统的控制软件。它的作用是把工业PC或者嵌入式PC变成一个功能强大的PLC或者Motion Controller控制生产设备。PLC和现场I/O的数据交换，通过与现场总线数据区的“映射”来实现。

TwinCAT2软件包括TwinCAT System Manager和TwinCAT PLC Control。TwinCATSystem Manager 主要负责硬件的组态和I/O映射，TwinCAT PLC Control主要用于PLC程序的开发与调试。在一台PC机上可同时进行多个逻辑PLC，每个任务独立运行，互不干扰，是一种软PLC。它能将任何兼容PC改造为实时控制器。基于此功能，将TwinCAT自动化软件与嵌入式PC作为系统的控制核心，运用倍福自主开发完善、高效、成熟的功能库，通过对动平台设备、激光传感器、机器人设备和I/O输入、输出设备等的协调控制。EtherCAT主站通过TwinCAT软件来实现，并完成EtherCAT从站设备扫描、XML文件解析、监控所有从站设备工作状态等功能。功能测试软件用于运动控制系统的硬件功能测试和整机性能试，为硬件设计改进、软件程序调试以及运动控制性能分析提供了极大的便利。

2)Twi nCAT参数配置

(2.1)对TwinCAT System Manager进行设置，点击SYSTEM-ConfigurationGeneral选项卡，然后点 choose target。出现Choose Target System窗口，此时显示出了控制器的名称CX-2DEAAB和IP地址 5.45.234.171.1.1。选择其进行连接。

当选择完成后System Manager软件就会显示目标控制器的主机名，并显示目标控制器TwinCAT状态是否连接成功。

(2.1)成功连接目标控制器后，点击Set/Reset TwinCAT to config mode将目标控制器切换为配置。切换成功后，软件状态栏内显示：ConfigMode。

(2.3)扫描硬件设备。右键选择I/O Device中的Scan Devices，进行自动扫描，

确定之后进行一下操作。扫描成功后,展开I/O Device树形结构,在最底层,可以看到所有选用的I/O 模块以及设备，term2打开后会出现1-8号端口。

点击Set/Reset TwinCAT to run mode完成配置，进入运行状态，右下角状态显示将变为绿色。最后在 NC-Configuration中建立两个轴，在之后的控制中使用。

3)实验平台控制流程图

根据图15所示的流程进行程序的编写，首先要让轴使能上电，此时将显示伺服轴所在的位置，不为0 时复位归零，之后要设定轴移动的位置和速度，启动电机直到电机停止转动，此时将显示当前轴的实际位置，与设定位置相比较，相同则通过，不同则需要对运动控制进行修改。

下面结合实验对本发明作进一步描述。

1)使用TwinCAT2令交流电机实现逻辑控制

(1.1)首先打开TwinCAT PLC control软件，点击File菜单中的New，选择程序所运行的控制器机型，这里选择CX(ARM)。

选择程序组织单元(POU)类型以及语言，这里有三种方式：程序、功能块和函数。以下是使用到的语言解释：

ST(结构化文本)：由一系列指令组成，可以执行如同高级语言中的(IF..THEN..ELSE)或循环 (WHILE..DO)语句。

LD(梯形图)：一种图形化的编程语言，它适合用作逻辑开关，可用于设置不同的网络。梯形图由一系列网格组成，网络左右两侧为电流线。内部是由触点和连接到线圈的电线组成的电路图。

这里选择LD梯形图，择好后弹出编程界面。

(1.2)程序说明:根据要求完成以下任务：当按下启动按钮时，主轴电机立即转动，延时10秒后台钻电机启动。当按下停止按钮时，台钻电机立即停止，延时10秒后主轴电机停止。当按下急停时，两台电机立即停止。如图16逻辑控制程序所示。

程序：

0001 PROGRAM MAIN

0002 VAR

0003 TON1:TON；(*延时接通*)

0004 TON2:TON；(*延时接通*)

0005 X1 AT％I*:BOOL；(*启动按钮*)

0006 X2 AT％I*:BOOL；(*停止按钮*)

0007 X3 AT％I*:BOOL；(*急停*)

0008 Y1 AT％Q*:BOOL；(*主轴电机*)

0009 Y2 AT％Q*:BOOL；(*钻台电机*)

0010 A1 AT％I*:BOOL；(*中间变量*)

0011 A2 AT％I*:BOOL；(*中间变量*)

0012 A3 AT％I*:BOOL；(*中间变量*)

END_VAR

(1.3)这时需要保存文件，文件名为PLC。储存完后要编译。编译的结果会显示在信息窗口中，0errors 为编译成功。在目标文件夹中会生成PLC.TPY文件，再将其导入SYSTEMMANAGER软件中时需要使用。

其中.tpy为关联文件；.SDB为二进制系统文件；.SYM为ASC码系统文件，常用于OPC通讯。

(1.4)链接变量：打开SYSTEM MANAGER软件，右键PLC配置，点击Append PLCProject，选中 plc.tpy，然后点击打开。点击Set/Reset TwinCAT to config mode将控制器切换为配置状态。此时就可以将设定的变量与远程I/O点进行关联。

点击Term2展开树形图，可以看到1到8号数字量输入端口，点开相应的端口与变量相配置。如Channel3 端口在设备上实际连接的是启动按钮，那么就将Channel3与X1变量相连接，其它的接口也是同样的操作。点击Term3展开树形图，可以看到1到8号数字量输出端口，点开相应的端口与变量相配置。如Channel4 为主轴电机正转，那么就将Channel4与Y1变量相连接，其它的接口也是同样的操作。

同时IO配置下的Mappings可以看到映射的建立情况，会有名为“PLC”的程序与EL模块硬件点成功建立连接。ACTIONS下面的ACTIVATE CONFIGURATION进行主动激活，使前面的配置生效，激活之后将TWINCAT重启为运行模式。

(1.5)最后将程序登录到目标控制器中，点击ONLINE—login进行下载程序，然后点击ONLINE—run 将程序运行起来。

(1.6)此时按下启动按钮，设备将按照逻辑指令顺序启动。

2)交流电机变频调速控制

通过改变模拟量电压的输出来控制电机的转速。具体操作通过一下步骤：

(1)此次选用的两台电机型号为51K180RA-SFW。其铭牌信息为额定功率180W、额定电压为220V、额定频率50/Hz、转速为1400RPM。

(2)根据教学要求，在执行逻辑程序时，需要将电机转速分别控制在1000RPM(主轴电机)和800RPM (钻台电机)。

(3)通过控制EL4002模拟量输出模块的电压信号，再通过变频器的参数设置来控制电机转速。

首先这是变频器的控制面板和按键说明。

这是字母符号表，表3所示。

表3说明

参数设定：

(1)将变频器的显示调整到drv,再将其参数设定为1，这改变了驱动方式，变成由端子驱动运行，多功能输入端子P1和P2作用为FX和RX功能时，I/O组的I17和I18各设定为0和1.“FX”是正转命令，“RX”是反转。再由于P1点的控制信号来自于EL2008模块的Channe4通道(以在Twincat变量中定义为电机正转)，所以当执行时电机可以正转。当接到Channel6通道时电机反转。两个变频器的设定一样。当FX/RX端子同时ON或者同时OFF时，电机停止运行。

(2)再将变频器的显示调整到Frq,将其参数设定为3，这改变了接收信号的方式，变成模拟量接入、电压控制，端子AI设定(J1拨到V端)：0-10[V],在变频器面板端子AI与CM间加载0～+10V信号，如图17所示。AI的大小控制了频率的大小。

端口说明如表4所示：

表4端口说明

(3)最后先使逻辑程序运行起来，再使用TwinCAT System Manager软件进行变频调速。将设定的电压输入到EL4002的输出通道1中，输出通道1就可以观察到输出状态，EL4002上相应的指示灯会点亮，使用万用表就可以测量出设定的电压，从而实现了变频调速。

根据已有主轴电机最大转速为1300RPM，模拟量电压最大设定为10V，所以要在SetValue Dialog中写入7或8V电压时，可以得到主轴转速约为1000RPM，同理在钻台电机的端口中写入6V电压，可以得到钻台转速约为800RPM。

将变频器的显示调整到rpm再确定后，即可显示当前电机转速。

3)TwinCAT控制伺服驱动NC PTP

3.1)基于PC的位置控制

TwinCAT NC PTP包含了轴定位软件、一个带有NC接口的集成软件PLC、用于调试的操作程序和一个通过各种总线与轴连接的I/O接口。TwinCAT NC PTP取代了传统的定位模块和NC控制器。

通过现场总线与驱动器和测量系统交换数据来对控制器进行建模。结合PC的处理能力和PLC的功能来控制轴的移动。PC拥有强大的计算能力，使用计算机可使同时定位数十个轴成为可能。

具有特殊逻辑功能，包括：直线耦合(电子齿轮)、距离补偿、在线主轴/从轴和从轴/主轴转换、飞锯(斜线钜)、凸轮控制、外部设定点生成器、多主轴耦合。

3.2)PLC编程控制伺服电机

首先打开TwinCAT PLC control软件,新建程序选择ARM内核，选择ST语言格式。然后在左下角resource选项卡中，双击管理库,之后右键空白处点击添加库，加载一个TCMC2.LIB库文件，这里有本发明所需的已经由倍福编辑好的功能文本。

之后切回程序编辑界面。定义两个轴类型的变量，主要用来做NC和PLC之间位置显示的作用，其内部又嵌套了另外一些结构体，axis_ref的变量为轴类型的变量。在程序编辑区输入一个“；”。

0001 PROGRAM MAIN

0002 VAR

0003 axisA,axisB:axis_ref；

0004 END_VAR

编辑完成之后“另存为”后再“编译”，生成TPY文件(链接变量)。接下来将NC与PLC的变量链接，回到TwinCAT system manager软件，右键PLC配置,点击Append PLC Project,并添加TPY文件。连接变量，将MAIN.axisz.NCTOPLC、MAIN.axisz.PLCTONC、MAIN.axisx.NCTOPLC、MAIN.axisx.PLCTONC，与声明的轴变量进行连接。PLC和NC通过关联变量进行数据上的传输，NC方会将伺服驱动器的状态、速度、位置传送给PLC，PLC将逻辑控制程序发给NC方。

之后建立HMI人机交互界面，在运行程序时使用HMI可以更加快捷方便的控制轴的动作和轴的调试，在HMI里面画出两个功能块，双击功能块进行配置，双击功能块填写参数设置：Text Content里面输入Z 轴当前位置：％.2f，％.2f代表数据类型的显示为浮点数数据类型，并只保留小数点后两位。

Variables里面的Textdisplay中设置所关联的变量，填写MAIN.axis1.NcToPlc.ActPos。第二个功能块用来显示X轴的实际位置。选择控制器的IP，之后再Login(程序登录上传)。程序登录之后把运行程序即可看到Z轴和X轴的当前位置显示在HMI上面，如图18所示。

HMI中再加入八个按钮控件，用来对轴进行使能、点动、相对位移和置零。

最后将程序经过编译，Log in,run后，将Z轴使能按钮按下，对轴进行使能，然后按下Z+即可看到伺服轴在转动，同时还可以看到大拖板在移动。再次按下Z+可以看到轴停止。还可以在Manager中在线监视轴的状态如图19在线监控所示。

最后使用TCatScopeView进行示波，首先建立四个频道分，分别连接变量MAIN.AXIS1.NCTOPLC.ACTVELO和MAIN.AXIS1.NCTOPLC.ACTPOS，MAIN.AXIS2.NCTOPLC.ACTVELO和MAIN.AXIS2.NCTOPLC.ACTPOS这四个变量为两个伺服轴的的实际速度和实际位置。现在测试所编辑的程序和连接的硬件设备能否执行。

下面结合测试实验对本发明作进一步描述。

在程序中Z轴Distance输入2000、Velocity输入150，X轴输入1500、Velocity输入100并登录程序开始测试。重复测试30次，分析Z，X轴的定位精度。其中的一次测试结果如图20示波器监控所示。

图21为测试30次的定位误差，其精度为0.01mm。选取其中Z、X轴误差最低的数据分别为Z轴的第23次采集和X轴的第4次采集，分别作出线性分析。表5和表6为采集的数据。线性拟合的结果如图 22、23所示。

表5 Z轴运动数据

表6X轴运动数据

从图21、22和23中可以看出两个伺服轴的线性拟合度很高，其中的r值都在0＜r＜1区间内，可以预测其在整个行程中的伺服系统的稳定性，所以运行测试的结果达到了预期的要求。但伺服电机的控制精度还有待提高，其中产生误差的原因包括伺服电机的精度不高，机械传动不太可靠，运动控制程序的编写还有待优化。

通过以上对开放式机电传动控制实验平台的测试，其结果可以达到使用要求，其实际使用过程也比较方便。

本领域技术人员在考虑说明书及实践这里公开的公开后，将容易想到本公开的其它实施方案。本申请旨在涵盖本公开的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本公开的一般性原理并包括本公开未公开的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。说明书和实施例仅被视为示例性的，本公开的真正范围和精神由所附的权利要求指出。

应当理解的是，本公开并不局限于上面已经描述并在附图中示出的精确结构，并且可以在不脱离其范围进行各种修改和改变。本公开的范围应由所附的权利要求来限制。

Claims

1.一种机电传动控制方法，其特征在于，所述机电传动控制方法包括：

2.如权利要求1所述的机电传动控制方法，其特征在于，所述步骤三后，通过触摸屏幕监控系统主电路、伺服控制电路、变频调速电路、倍福控制器电路、PLC控制电路的动作、状态及运行数据，进行进行示波。

3.如权利要求1所述的机电传动控制方法，其特征在于，交流流电机运动控制方法包括：

E为电动机的感应电动势。

4.如权利要求1所述的机电传动控制方法，其特征在于，伺服电机运动控制方法包括：

5.一种机电传动控制系统，其特征在于，所述机电传动控制系统包括：

6.如权利要求5所述的机电传动控制系统，其特征在于，所述系统主电路包括：主电源断路器，用于系统供电；

系统电源断路器，用于控制PLC控制电路通断电；

熔断器，用于保护电路；

开关电源，将交流380V整流为直流24V电压。

7.如权利要求5所述的机电传动控制系统，其特征在于，所述伺服控制电路包括：

8.如权利要求5所述的机电传动控制系统，其特征在于，所述变频调速电路包括：

倍福控制器触点，用于倍福控制器的模拟量信号输出；

9.如权利要求5所述的机电传动控制系统，其特征在于，所述机电传动控制系统进一步包括：

10.一种计算机设备，其特征在于，所述计算机设备包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，所述计算机程序被所述处理器执行时，使得所述处理器执行如下步骤：

链接交流电机运动控制、伺服电机运动控制中的变量；