基于PCC伺服系統的PID控制研究論文

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1、 54 摘 要 交流伺服控制技術在當今科技領域已日臻成熟，被廣泛用于工業、農業生產和日常生活等方面。其中對伺服電機的研究已成為現代伺服控制系統發展的新方向。另外，計算機和伺服控制系統相結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進行研究。 關鍵詞：伺服驅動，PID控制，可編程控制器

2、（PCC），伺服控制器（ACOPOS） ABSTRACT AC 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 o

3、f 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 contro

4、l 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 co

5、mputer controller (PCC), servo controller (ACOPOS) 目 錄 1 緒論 1 2.PCC與ACOPOS簡介 4 2.1 可編程計算機控制器（PCC）[3, 4, 6] 4 2.2 伺服控制器（ACOPOS） 5 2.3理論上確定控制器參數 7 3.主要硬件 10 3.1 系統組成 10 3.2 系統連接 11 4.軟件配置 13 4.1 硬件分配 13 4.2 軟件配置 16 5.程序設計 23 5.1 PLCopen與ACP10_MC 23 5.2 ACP10_MC功能函數介紹 23 5.3 程序設計 24

6、 6.NC Test 31 6.1 NC 基本運動 33 6.2 速度控制 34 6.3 PID自整定 38 7.結論 41 參考文獻 42 附錄 43 致 謝 55 1 緒論 近年來，隨著現代科學技術的飛速發展，造成人們對工農業生產的性能要求不斷提升，傳統的生產控制系統已無法滿足現代工業生產的需要，開始嘗試開發其他新型的伺服控制系統。目前現有的伺服電機控制系統主要是由PLC控制， PLC伺服電機控制系統主要是由硬件構成，硬件接線多而復雜，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自動控制設備，它由PLC發

7、展而來，但在硬件和軟件上與PLC相比都有很大優勢，所以基于PCC的伺服電機速度控制器的開發是對伺服控制系統的一次新穎的嘗試與改良[1]。 1.1 伺服系統及其發展概況[1, 5,19] 伺服驅動系統（Servo System）簡稱伺服系統，是一種以機械位置或速度作為控制對象的自動控制系統。它有交流系統和直流系統，在旋轉運動中應用較廣，通常是通過電機上的旋轉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進行一系列處理后實現自動調節，使其速度和位置快速跟蹤設定值，為了達到快速和高精度，因而出現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，又出現了許多仿真，這就是所謂的軟件

8、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、大功率高性能半導體功率器件技術和電機永磁材料制造工藝的發展及其性能價格比的日益提高，交流伺服技術——交流伺服電機和交流伺服控制系統逐漸成為主導產品。交流伺服驅動技術已經成為工業領域實現自動化的基礎技術之一，并將逐漸取代直流伺服系統。而其中永磁同步電動機交流伺服系統在技術上已趨于完全成熟，具備了十分優良的低速性能，并可實現弱磁高速控制，拓寬了系統的調速范圍，適應了高性能伺服驅動的要求。并且隨著永磁材料性能的大幅度提高和價格的降低，其在工業生產自動化領域中的應用將越來越廣泛，目前已成為交流伺服系統的主流。 我國從1

9、970年代開始跟蹤開發交流伺服技術，80年代之后開始進入工業領域，直到2000年，國產伺服停留在小批量、高價格、應用面狹窄的狀態，技術水平和可靠性難以滿足工業需要。2000年之后，隨著中國變成世界工廠、制造業的快速發展為交流伺服提供了越來越大的市場空間，國內幾家單位開始推出自己品牌的交流伺服產品，比如貝加萊(B&R)工業自動化公司推出的AcoposMulti驅動系統、艾默生控制技術(Emerson Control Techniques)公司展出了Unidrive及其他交、直流驅動器產品、Rockwell Automation公司的PowerFlex驅動技術、施奈德電氣(Schneider El

10、ectric) 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。而國際廠商伺服產品每5年就會換代，新的功率器件或模塊每2～2.5年就會更新一次，新的軟件算法則日新月異，總之產品生命周期越來越短?？偨Y國內外伺服廠家的技術路線和產品路線，結合市場需求的變化，可以看到以下一些最新發展趨勢。 (1) 交流化 伺服技術將繼續迅速地由直流伺服系統轉向交流伺服系統。從目前國際市場的情況看，幾乎所有的新產品都是交流伺服系統。在工業發達國家

11、，交流伺服電機的市場占有率已經超過80%。在國內生產交流伺服電機的廠家也越來越多，正在逐步地超過生產直流伺服電機的廠家?？梢灶A見，在不遠的將來，除了在某些微型電機領域之外，交流伺服電機將完全取代直流伺服電機。 (2) 全數字化 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，從而實現完全數字化的伺服系統。全數字化的實現，將原有的硬件伺服控制變成了軟件伺服控制，從而使在伺服系統中應用現代控制理論的先進算法(如:最優控制、人工智能、模糊控制、神經元網絡等)成為可能。 (3) 智能化 現代交流伺服驅動器都具備參數記憶、故障自診斷和分析功能，絕大多數進口驅動器都具備負載慣量測定和

12、自動增益調整功能，有的可以自動辨識電機的參數，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動結合在一起，對于伺服用戶來說，則提供了更好的體驗。 (4) 網絡化和模塊化 隨著機器安全標準的不斷發展，傳統的故障診斷和保護技術（問題發生的時候判斷原因并采取措施避免故障擴大化）已經落伍，最新的產品嵌入了預測性維護技術，使得人們可以通過Internet及時了解重要技術參數的動態趨勢，并采取預防性措施。比如：關注電流的升高，負載變化時評估尖峰電流，外殼或鐵芯溫度升高時監視溫度傳感器，以及對電流波形發生的任何畸變保持警惕。 (5) 小型化和大型化

13、 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展，比如20，28，35mm外徑；同時也在發展更大功率和尺寸的機種，已經看到500kW永磁伺服電機的出現，體現了向兩極化發展的傾向。 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、通訊技術、自動控制技術為一體的新型工業控制裝置，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勢。隨著3C技術(計算機、通訊、控制)的發展，新一代的PCC已能勝任集散控制和復雜的過程控制，其良好的兼容性、豐富的功能函數、品種多樣的硬

14、件模塊、高級編程語言的使用，使PCC能適應各種工業控制的需要[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，所得結果是模擬的，有時并不準確，增加了控制對象后，現象和結果就能清楚的顯示在控制對象上，便于調試和測量，這給此次課題的研究打下了基礎。 本文采用貝加萊公司設計的可編程計算機控制器（PCC）和伺服控制器（ACOPOS）作為系統主要構件，通過對它們的研究與應用對電機偏轉速度進行控制。 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

15、環境下應用而設計的。它采用可編程序的存儲器，用于其內部存儲執行邏輯運算、順序控制、定時、計數和算數運算等操作指令，并通過數字式、模擬式的輸入/輸出控制各種類型的機械或生產過程?？删幊逃嬎銠C控制器及其有關外部設備，都易于與工業控制系統聯成一個正題，易于擴充其功能的原則設計，是特別適合于工業環境的。 與現有的PLC控制的伺服系統相比，在硬件結構方面，PCC的特點是很顯著的。在其核心的運算模塊內部，PCC為其CPU配備了數倍于常規?PLC的大容量存儲單元（100K-16M），這無疑為強大的系統和應用軟件提供了監視的硬件基礎。而在硬件外部，它有著全模塊式的插裝結構，在工業現場，不僅可以方便地帶電插拔

16、，而且在接線端子，模塊供電及工作狀態顯示等諸多方面均有著精巧的設計。 PCC在硬件上的特點，還體現在它為工業現場的各種信號設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場信號十分方便的連入以PCC為核心的數字控制系統中，用戶可按需要對應用系統的硬件I/O通道以單路，十余路或數十路為單位模塊，進行數十點至數百點、上千點的擴展與聯網。 與常規PLC相比較，PCC最大的特點在于分時多任務操作系統和多樣化的應用軟件的設計，常規的PLC大多采用單任務的時鐘掃描或監控程序，來處理程序本身的邏輯運算指令和外部的I/O通道的狀態采集與刷新，這

17、樣PLC的執行速度取決于應用程序的大小，這一結果，無疑是同I/O通道中高實時性的控制要求相違背的。PCC的系統軟件解決了這一問題，它采用分時多任務機制構筑其應用軟件的運行平臺，這樣應用程序的運行周期則與程序長短無關，而是由操作系統的循環周期決定，由此，它將應用程序的掃描周期同真正外部的控制周期區別開來，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，任意調整。 基于這樣的操作系統，PCC的應用程序由多任務模塊構成，這樣給項目應用軟件的開發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，如數據采集，報警，PID調節運算，

18、通信控制等，分別編制出控制程序模塊（任務），這些模塊既相互獨立運行，而數據間又保持一定的相互關聯，這些模塊經過分步驟的獨立編制和調試完成之后，可一同下載至PCC的CPU中，在多任務操作系統的調度管理下，并行運行，共同實現項目的控制要求。 基于上述功能強大的特殊的操作系統，PCC在應用程序的設計上，有著常規PLC無法比擬的靈活性。 由于PCC是基于多任務環境下設計程序，采用大型應用軟件的模塊化設計思想，各個任務模塊的功能描述更趨清晰簡潔，用戶在開發自己的任務時，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用項目重新使用。 PCC

19、的編程硬件采用普通PC機配以一套功能強勁的開發軟件作為在線開發工具，這種方式，不僅節省了用戶的硬件投資，更重要的是，它發揮了PC機作為在線編程開發工具的強大的軟硬件優勢，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試手段，使應用程序的開發十分靈活便捷。另外，通過PC機上編程軟件包所提供的為數眾多的函數，用戶可短時間內編制出高效而復雜的控制程序來。 PCC在編制不同的單個任務模塊時，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?PLC上指令表語言可在PCC上繼續沿用，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

20、，熟悉BASIC的技術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的應用軟件開發還具有集成“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通道及內部寄存器單元，軟件開發人員毋需熟知?PCC內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，是區別于常規PLC的一大顯著標志，作為未來構成分布式現場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。 除上述開放式現場總線的網絡方案之外，PCC還提供了RS485總線上多

21、種局部主從網絡協議，用戶不僅可以采用PCC自身的網絡協議，也可以方便的與其他廠家的PLC等工控設備聯網通信（如西門子，AB等），在一些特殊情況下，PCC還為用戶提供了創建自定義協議的工具（幀驅動器），由于具備這樣的技術優勢，PCC常常能解決許多常規PLC所望塵莫及的通信難題，輕松實現與各種不同產品，不同通信協議的互聯。 總之，PCC雖然從PLC發展而來，但擁有其不可比擬的優勢。更加強大的內存空間、更靈活的編制手段、更優越的控制方式，使PCC有許多普通PLC難以完成功能，如精確到±1℃溫度調節；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絡技術的發展，不斷更新換代，有著更

22、好的升級能力，所以PCC正廣泛地在工業控制中使用。 2.2 伺服控制器（ACOPOS） 伺服驅動的目的是使用電機和各種機械機構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.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。當設定位置與實際位置不相符時,將會產生一個滯后偏差或位置偏移，此時由伺服驅動輸出一個可控變量來補償偏差。 2.2.1 ACOPOS的特點[9,15] ACOPOS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動控制器，它主要是

23、用于點到點的運動控制、電子齒輪、電子補償等。ACOPOS伺服驅動時會用到電機嵌入式參數芯片上的信息，這些信息包括相關的機電一體化數據，從而實現自動設置芯片，避免大量人工設置會產生的錯誤。 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點數是ACOPOS伺服驅動標準設備中的一部分，用于操作一個伺服軸。在執行高精度測量的任務時，提供2個觸發式輸入進一步配置。ACOPOS的插入式模塊用于連接網絡中其他的驅動器，控制器和顯示設備，也可以連接編碼器，傳感器和執行機構。 （2） 配置取代編程 ACOPOS伺服驅動通過配置能夠完成高要求的定位任務，具有緊湊型功能模塊，適用于廣

24、泛的應用，針對具體行業的功能可以在項目程序中快速簡便地實現。 （3） PLCopen運動控制功能模塊 ACOPOS伺服驅動器中有一個PLC open運動控制模塊，它縮短了開發周期，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域。兩種區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） 控制觸發器 控制器中的示波器能實時監測所有的運動，很多可能的觸發條件都能提供所要分析的數據，能夠實現精細調節以及運動優化，相當簡便。速度、加速、振動的結果

25、和影響也都能夠很快通過圖形分析出來。 （5） 簡單快速的調試 ACOPOS伺服控制器是由一個工具Automation Studio統一編程的，可通過對話框添加硬件組件、應用程序并且完成配置，從而縮短了項目的開發周期。內置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。監視器窗口顯示軸反作用力，跟蹤功能記錄相關的驅動器數據有助于評估。 2.2.2 ACOPOS控制原理 級聯控制器概念是ACOPOS伺服驅動的核心，位置控制器，速度控制器，電流控制器是級聯的，按照設定值啟動，因此，高標準控制器的操作變量變成了低層次控制器的設置量，通過設定值發生器，

26、可將設置量提供給位置控制器。在給出執行一個基本運動的命令后，這個設定值發生器將會創建一個運動軌跡，這個運動軌跡的路徑主要取決于基本運動參數（目標位置，加速度等）。 （1） 前饋位置控制器 設定位置產生器將會產生位置控制器的設置量，ACOPOS伺服驅動將通過電機的編碼器系統和一個相應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行的，它帶有抗飽和（操作變量限制）和預測前饋（輸入控制），當設定值與實際值有偏差時，帶有的比例部分將會立即產生變化，設定值的變化或是擾動的影響都將產生這

27、些形式的偏移，帶有積分時間常數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控制器產生的。帶有系數的比例部分將會對控制器的任何偏差立即產生作用，這就決定了這個元素對速度控制器的動態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）。通過使用電機參數與具

28、體的ACOPOS參數，伺服驅動將會自動決定相應的參數。電流控制器使用它的操作變量來控制IGBT。然后，這些管子將會發送調制的PWM脈沖給電機。電流控制器將會在不同的循環周期內工作，這取決于PWM的開關頻率。 2.3理論上確定控制器參數 通過對ACOPOS伺服控制器的結構了解后，可以從理論上來計算控制參數 2.3.1速度控制器 用下式來代替電流控制環的時間常數: （3-1） 將所有時間常數的綜合來代替: （3-2） （編碼器接口死區時間，速度的確定與掃描） (參數)=速度濾波器的濾

29、波時間常數 速度控制器的比例增益： （3-3） =總的轉動慣量(Jmotor+Jbrake+Jload) =正在使用的電機的轉距常數[Nm/A] 速度控制器的積分動作常數： （3-4） 2.3.2 位置控制器 用單個時間常數的總和來代替時間常數: （3-5） =插補器產生的死區時間(0.0001s) =來代替速度控制環的時間常數 =由掃描產生的死區時間(0.0002s) 位置控制器的比例增益:

30、 （3-6） 位置控制器的積分動作常數: （3-7） 2.3.3 理論上確定參數 本文采用的是ACOPOS 8V1045的8MS電機，不帶負載。 其中，，開關頻率 那么速度控制器： 位置控制器： 為了確定級聯控制器的參數，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節會描

31、述ACOPOS自整定的過程。 3.主要硬件 3.1 系統組成 本文中的伺服系統主要由計算機（PC）、可編程計算機控制器（PCC）、伺服控制器(ACOPOS)和伺服電機構成，整個系統如圖3-1所示。 圖3-1 伺服系統控制原理圖 (1) PCC2003系列 本次設計采用的是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，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)的其它產品，如I/O系統，工業PC及控制器等，可創建滿足

32、高要求的自動化方案，依靠先進的接口、現場總線系統、網絡及外圍設備，可完成最佳的數據傳輸任務。PCC的硬件結構都為模塊，此次畢設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，具備最先進的構架，創造性的PC技術如Compact Flash存貯，以太網連接以及aPCI擴展插槽等的使用使得高性能產品在自動化領域也得以應用，歷經考驗的Mo-rola處理器CPU起了優化性能的作用，編程采用全兼容、格式統一的B&R Automation Studio。本課題中采用的CPU模塊為CP360.60.1，對于短循環時間、必須處理大量數據以及帶負電操作的項目來說，

33、CP360是最好的選擇，它附帶I/O處理器的高性能Pentium CPU，最短循環時間為400μs，帶有一個RS232接口、集成Ethernet 10/1000Mbps以及USB接口，可更換應該用內存，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，本次畢設中的通信模塊為IF787。 (2) ACOPOS 8V1045 ACOPOS控制器運行時掃描時間非常短且通信循環周期僅400μs，控制循環50μs，因而在各種功

34、能的轉換時速度就很快。另外，根據IEC 60204-1標準，為了在斷電時按1類規定提供停機功能，伺服驅動的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中。ACOPOS伺服驅動自動識別斷電，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生24 VDC電源電壓。此次畢設選用的為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

35、。此次采用的ACOPOS V1045已經集成一個DC總線電源，已集成DC總線電源的ACOPOS伺服驅動系統為伺服驅動提供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用需求的場合，無需復位過程或者另外測量系統便可運作，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芯片，所有相關的機械和電子數據以及信息都存儲于編碼器中，因此在伺服驅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

36、電，電機自動被識別。電機將額定參數和極限參數傳送至伺服驅動，驅動自動選擇能夠實現最佳控制電機所要用到的當前極限值和當前控制參數。8MS還具有統一的連接技術，預接線電纜和嵌入式參數芯片實現功率傳輸系統的即插即用，接頭處可以旋轉，為接線提供了最大的靈活性。 本次畢設采用的為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引腳結構，9引腳為Enable，外接+24V電源;10引腳為Enable0V，外接地0V；

37、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 伺服系統接線圖 可編程計算機控制器（PCC）和伺服驅動器(ACOPOS)的連接通過CAN。 伺服驅動器(ACOPOS)與伺服電機的連接則是通過一般硬線。 4.軟件配置 在ACOPOS上有許多參數可以控制驅動，這些參數由ACOPOS內部的NC操作系統管理的，NC管理器用來建立用戶和伺服驅動上NC操作系統的連接，每個NC數據結構用來配置和操作每個驅動項目，運用NC管理器時，使用簡單的函數就可對伺服傳送

38、命令，而要實現這一功能，需要對驅動進行配置，包括硬件分配、初始化參數配置、ACOPOS參數配置、NC配置以及添加錯誤文本表。 4.1 硬件分配 用PCC驅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project界面，如圖4-3所示。 圖4-3 項目新建

39、成功界面 在IF787.9窗口下，選擇POWERLINK屬性，將其循環時間改為400微妙，這樣設置是由于POWERLINK默認的循環時間為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，出現一個ACOPOS選型窗口，在此表內選擇相應的ACOPOS型號8V1045.00-2，如圖4-5所示。 圖4-5 ACOPOS選型窗口 點擊Next，出現選擇附件模塊8AC112.60-1和8AC122.60-2，選擇好附件，出現

40、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，以免發生沖突，如圖4-8所示。 圖4-8 ACOPOS屏蔽圖

41、 4.2 軟件配置 4.2.1 初始化參數模塊 為了定義基本參數的固定設定（初始化設定或默認值），每個NC對象類型（指定實軸，虛軸等）的初始參數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模塊，如圖4-9所示。初始化參數模塊包括NC對象的單獨分組，這些分組對應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，用來連接數字量輸入，在初始參數配置時，需要分別設置每個輸入的“

42、有效等級”，本文中將其設置為高電平有效，如圖4-10所示。 圖4-10 dig_in有效級設置 另外，ACOPOS伺服控制器在驅動電機運行時，是以units作為單位的，默認電機轉一圈為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 運動單位設置 4.2.2 ACOPOS參數表 添加ACOPOS參數表，如圖4-12所示。ACOPOS上的參數可以直接尋址，ACOPOS伺服電機有大量的參數，通過提供參數來定義配置指定數據（電機特性，編碼器等），同樣定義命令操作（位置等） 圖4-12 添加ACOP

43、OS參數表 添加成功后，出現一個空白的參數表，點擊鼠標右鍵，選擇append group，如圖4-13所示。 圖4-13 ACOPOS參數表 在新的參數表中添加參數組，這樣可以結構化大量的參數列表，預先定義的參數組也包括在此，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（特性）組，如圖4-15所示。 圖4-15 電機參數表選擇窗口 完成這些配置后，電機所需要用的所有參數和插入卡需要的參數都輸入到參數表中了。 4.2.3 NC配置 使用NC配置必須要在項目中做三個更改：

44、 (1) 屏蔽強制NC初始參數對象硬件定義的設定 (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 Name NC 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，則系統運行時會發生沖突。 。 圖4-17 定義NC Objec

45、t name (2) Network Interface Network Interface中選擇ACOPOS連接的網絡接口，為POWERLINK，如圖4-18所示。 圖4-18 選擇網絡接口 (3) Node Number 輸入選擇網絡中的ACOPOS節點號，如圖4-19所示，節點號在ACOPOS控制器的硬件上由人工撥。 圖4-19 選擇節點號 (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（網絡中ACOPOS模塊）指定到相應的軟件部分。 4.2.4 NC 錯誤

46、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 table Error 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

47、臺上執行，PLCOPEN建立了編程標準，并在工業領域被廣泛支持，由于封裝隱藏了數據，此標準可用于不同結構，適用的控制從集中型到分散型或從集成型到網絡型。它不是為某個應用程序特別設計的，而是可以作為在不同領域中正進行定義的基礎層。正因為如此，它對現有和將來的技術都是開放的。 B&R驅動方案提供PLCOPEN標準位置應用，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。 ACP10_MC庫中包括相關的大量功能庫，這些功能塊用于： (1) 驅動準備 (2) 基本運動，包括絕對位移

48、或者相對來回運動等 (3) 測定驅動狀態，讀取位置值，速度值等 (4) 測定和確認驅動錯誤 (5) 用于數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 (8) 管理ACOPOS Par ID參數 5.2 ACP10_MC功能函數介紹 (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下原始命令的位置，命令一個指定相關距離的被控運動。如果FB在持續模式下啟動，在執行時指定的相關距離被加入到實際位置。 (3) MC_Move Veloc

49、ity 命令在特殊速率下的不停止的被控運動。 (4) MC_Home 命令軸執行尋參，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，將軸轉換為“停止”狀態。它會中止任何進行中的功能塊的執行。使用“Done”輸出，可轉換為靜止狀態。當軸處于“停止”狀態時，其他的功能模塊不可以在這個軸上執行任何運動。 (6) MC_Power 控制電源（開或關）。 (7) MC_Read Status 返回到相應于當前正在進行運動的軸的詳細狀況。 (8) MC_Read Axis Error

50、 顯示與功能塊無關的故障。 (9) MC_Reset 　　通過復位所有內部與軸有關的故障和清除懸掛的命令，實現從故障停止狀態到靜止狀態的轉換。 (10) MC_Read Actual Position 讀實際位置。 5.3 程序設計 此次畢設需要實現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用程序來控制ACOPOS，采用步進順序更為適合，設計過程如下： (1) 啟動系統后，系統等待信號來激活驅動控制器，當獲得相應的信號，就以MC_POWER函數來啟動控制器， (2) 程序進入一個準備狀態 (

51、3) 在這個準備狀態中，系統等待信號來執行下一步驟，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行一個尋參的過程，所以在程序中添加了MC_HOME函數。程序中設計為一旦執行尋參命令，自動將電機當前位置設為0。 任務順序圖如圖5-1所示： 圖5-1 任務順序圖 程序如下： switch(AxisStep) { case STATE_WAIT: /*等待上電*/ if (gAxisBasic.Power = =1) /*

52、 得到上電指令*/ AxisStep = STATE_POWER_ON; /*執行上電*/ else MC_Power_0.Enable = 0; /*將電源使能復位*/ MC_Home_0.Execute = 0; /* 復位所有函數信號 */ MC_Stop_0.Execute = 0; MC_MoveAbsolute_0.Execute = 0; MC_MoveAdditive_0.Execute

53、= 0; MC_Reset_0.Execute = 0; gAxisBasic.Stop = 0; /* 用戶指令復位*/ gAxisBasic.Home = 0; gAxisBasic.MoveAbsolute = 0; gAxisBasic.MoveAdditive = 0; break; case STATE_POWER_ON: /* 上電狀態*/ MC_Power_0.Enable = 1;

54、 /* 得到上電指令*/ if (MC_Power_0.Status = =1) /* 上電反饋*/ { AxisStep = STATE_READY; /* 跳轉到準備狀態*/ } break; case STATE_READY: /* 等待狀態*/ if (gAxisBasic.Home = =1) /* 得

55、到尋參指令*/ { gAxisBasic.Home = 0; /* 將尋參指令復位，方便下次執行尋參*/ AxisStep = STATE_HOME; /* 執行尋參*/ } else if (gAxisBasic.MoveAbsolute = =1) /* 絕對位移指令*/ { gAxisBasic.MoveAbsolute = 0; /* 將位移指令復位，方便下次獲得指令*/ AxisStep = STA

56、TE_MOVE_ABSOLUTE; /* 執行絕對位移*/ } else if (gAxisBasic.MoveAdditive = =1) /* 相對位移指令*/ { gAxisBasic.MoveAdditive = 0; /* 將位移指令復位，方便下次獲得指令*/ AxisStep = STATE_MOVE_ADDITIVE; /* 執行相對位移*/ } case STATE_HOME:

57、 /* 尋參狀態 */ MC_Home_0.Position = gAxisBasic.ParaHomePosition; MC_Home_0.HomingMode = gAxisBasic.ParaHomeMode; /* 尋參模式 */ MC_Home_0.Execute = 1; /* 執行尋參設為只有上升沿有效 */ if(MC_Home_0.Done == 1) { MC_Home_0.Execute = 0; /* 將尋參函數復位，方便下次獲得指令*/ AxisStep = STATE_READY;

58、 } break; 此外，在執行以上機械的進程中需要考慮到潛在的錯誤事件，需要區分出兩種錯誤類型： (1) 功能塊調用時的錯誤，可能是由于設置上的錯誤 (2) 驅動錯誤 在PCC中，PLCopen功能塊提供這些函數狀態的直接反饋，在“錯誤”狀態輸出中顯示執行中產生的錯誤，響應的錯誤代碼在函數ERRORID輸出，用戶可以更好的定位錯誤。 設計思想如下： (1) 利用循環的MC_ReadAxisError函數監控ACOPOS驅動上的出錯信息，此功能塊必須一直在激活狀態（Enable=1），AxisError在PCC中ID默認設定為29226。 (2) 當出現驅動錯誤后，停

59、止常規的程序執行，進入處理錯誤步驟；當出現功能塊調用時的錯誤，出現這一錯誤同樣停止程序執行。 在兩種進程都運行通過后，需要檢測驅動狀態，是否在錯誤狀態，直到執行了狀態復位，才能繼續運行應用程序。 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) /*循環檢測程序*/ if((MC_ReadAxisError_0.AxisErrorID!=0)&&(MC_ReadAxisError_0.Valid==1)) /*檢測軸錯誤

60、*/ { AxisStep = STATE_ERROR_AXIS; /*運行軸錯誤處理狀態 */ } else if (gAxisBasic.Power = =0) /*是否斷電*/ { if ((MC_ReadStatus_0.Errorstop = =1) && (MC_ReadStatus_0.Valid = =1)) /*檢測驅動狀態*/

61、AxisStep = STATE_ERROR_RESET; /*運行狀態復位*/ else AxisStep = STATE_WAIT; } case STATE_ERROR: /* 錯誤狀態*/ if (gAxisBasic.ErrorID= =29226） /*檢測功能函數是否發生錯誤*/ { AxisStep = STATE_ERROR_AXIS; /*如果是軸錯誤，到軸錯誤處理狀態*/ } el

62、se { if (gAxisBasic.ErrorAcknowledge = =1) { gAxisBasic.ErrorAcknowledge = 0; /*確認錯誤直到沒有錯誤態*/ gAxisBasic.ErrorID = 0; /*將ErrorID復位，方便下次檢錯*/ if ((MC_ReadStatus_0.Errorstop==1) && (MC_ReadStatus_0.Valid == 1)) /

63、*檢測是否在驅動狀態*/ { AxisStep = STATE_ERROR_RESET; /*運行錯誤復位*/ } else { AxisStep = STATE_WAIT; /*運行等待狀態*/ } } } break; case STATE_ERROR_AXIS: /*軸錯誤狀態*/ if (MC_ReadAxisError_0.Valid = =1) {

64、if (MC_ReadAxisError_0.AxisErrorID != 0) /*出現錯誤*/ { gAxisBasic.ErrorID = MC_ReadAxisError_0.AxisErrorID; } /*讀軸錯誤號*/ MC_ReadAxisError_0.Acknowledge = 0; if (gAxisBasic.ErrorAcknowledge = =1) /*確認錯誤*/

65、 { gAxisBasic.ErrorAcknowledge = 0; /*將確認復位*/ if (MC_ReadAxisError_0.AxisErrorID!=0) /*出現錯誤*/ { MC_ReadAxisError_0.Acknowledge = 1; /*確認錯誤*/ } } if (MC_ReadAxisError_0.AxisErrorCount = =0) /*剩余錯誤為0*/ { gAxisBasic.Err

66、orID = 0; /*錯誤命令復位*/ if((MC_ReadStatus_0.Errorstop==1)&&(MC_ReadStatus_0.Valid == 1)) /*檢測是否在驅動狀態*/ { AxisStep = STATE_ERROR_RESET; /*運行錯誤復位*/ } else { AxisStep = STATE_WAIT; /*等待狀態*/ } } } break; case STATE_ERROR_RESET: /*錯誤復位狀態*/ MC_Reset_0.Execute = 1; /*復位上升沿有效*/ if(MC_Power_0.Error = =1