三轴伺服移动平台控制系统的设计.docx

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三轴伺服移动平台控制系统的设计

金华职业技术学院

JINHUAPOLYTECHNIC

毕业教学环节成果

（2014届）

题目三轴伺服移动平台

控制系统的设计

学院信息工程学院

专业电气自动化

班级自动化111

学号201131010350102

姓名

指导教师

2014年5月30日

金华职业技术学院毕业教学成果

三轴伺服移动平台控制系统的设计

摘要:

介绍了基于三菱Q系列PLC对三轴伺服移动平台的控制系统，选用了Mcgs触摸屏实现人机交互。

文中给出了三轴伺服移动平台的基本架构。

简单分析了伺服控制系统的控制系统结构及工作原理与一些传感器的使用。

重点介绍了控制系统程序以及PLCI/O口，还简单介绍了下移动平台控制系统的布局图与接线图。

关键字PLC人机界面伺服控制

Designofcontrolsystemofthreeaxisservomobileplatform

InformationEngineeringCollegeofelectricalautomationtechnologyZhongzhangbo

Abstract:

IntroducedtheQSeriesbasedonMitsubishiPLCcontrolforliftingandtransferringparkingequipment,usedMCGStouchscreenrealizationofhuman-computerinteraction.Thispaperpresentsthebasicstructureofthreeaxisservomobileplatform.Asimpleanalysisofthe system structureandworkingprinciple oftheservocontrolsystem and somesensors.Focusingonthecontrolsystem programandthePLC I/O, alsointroducesthelayout diagramofthecontrolsystem under mobileplatform and wiringdiagram.

Keyword:

PLChuman-computerinterfaceServocontrol

引言

现代工业对运动控制的要求越来越高，因而高精度电气系统和高性能自动控制系统应运而生。

采用三菱电机有限公司推出的Q系列高性能CPU、QD75M定位模块以及SSCNET总线等集成三维伺服控制系统，将PLC技术的优势和伺服控制诸多特性完美地结合于一体，以便使运动控制系统性能达到一个更好的水平。

三维交流伺服这样一种扮演重要支柱技术角色的自动控制系统，在许多高科技领域得到了非常广泛的应用，如激光加工、机器人、数控机床等，因此该项目的研究有良好的应用价值。

三轴移动平台，有时候我们又称为三轴结构。

它是进行目标自动跟踪和定位的关键设备。

由于这种平台在运行中拥有着很高的灵活性和稳定性，因此在航天领域、军工领域、工业领域等方面一直有着很高程度的应用。

所谓三轴，就是在三维立体空间的环境下，通过长、宽、高三个方面对物体进行控制和定位。

把这种技术应用于控制平台的话，则可使受控设备更好的摆脱因设备本身所处的形态等因素对工作效果产生的影响。

1基于Q系列PLC的三维伺服控制系统的构架

1.1三维伺服控制系统控制方案的选择

该项目采用高性能CPU+伺服控制器（定位模块）进行运动控制。

这种解决方案中，系统的控制性能不如选用专用运动型CPU的。

专用运动型CPU可同时控制的轴数目多，控制性能优越，系统响应快，但系统一次成本较高，适用控制要求很高的场合。

而采用高性能CPU+伺服控制器（定位模块）方案控制的轴的数目相对少，但性价比高，在目前属于主流的解决方案，也很适合我国的国情。

1.2基于Q系列PLC的三维伺服控制系统组成

系统主要由电源模块、高性能CPU、I/O模块、定位模块、伺服放大器和三菱HC-KFS13低惯量交流伺服电机等组成。

定位模块与3个伺服放大器通过专用电缆SSCNET网络通信，3台伺服电机分别安放于x轴、y轴和z轴的平面上，能实现在三维空间的精确定位,可以完成多轴直线插补和圆弧插补等运算控制。

该系统是按工业级建立的，能针对具体的工艺设计完成对应的伺服控制，模拟实现如数控钻床、数控铣床、精密雕刻机、机械手控制等，系统还集成了MCGS人机界面对伺服系统的运行状况做实时监控。

其整体系统结构如图1所示。

Q64P电源模块。

用于给主基板上安装的各个模块提供5VDC电源，注意可以安装的电源模块型号依据基板而定；Q02H高性能CPU。

支持三维伺服系统的控制与运算。

该CPU以中大规模系统为对象，在大幅提高CPU模块处理性能和程序寄存器容量的同时，还提高了与网络模块、编程用外围设备之间数据通信的性能。

支持本地I/O最大可达8192点，程序容量最大有28k步。

最快指令仅需34ns。

除了可以使用梯形图、语句表、ST（结构化文本，类高级语言）、SFC、FB等5种编程语言外,还可支持多达4个CPU；QX40输入模块（I/O模块）。

运动系统的相关检测信号通过该模块送入PLC；QY10输出模块（I/O模块）。

运动系统的相关指令信号通过该模块发送给定位模块或伺服放大器；

QD75P2定位模块。

其内部集成有专用的控制芯片；用做运动控制所需数据的计算，再把处理的结果输入到伺服放大器；

SSCNET网络。

定位模块与3个伺服放大器通过SSCNET网络通信。

SSCNET也称为伺服系统现场总线网，是PLC控制系统中常用的I/OLink网，该总线可实现高速通信和简化系统结构的目的。

SSCNET使多轴的同步、插补等高级定位功能得以可靠实现,在节省配线的同时，提高了整机的响应性，而且降低了因为配线错误而引起的故障概率；

系统在连接上由一个主基板将电源模块、高性能CPU、I/O模块和定位模块连接在一起。

1.3软件平台

需要用到的相关编程平台有：

GX-WORKS2用于编写Q系列CPU程序；GX-WORKS2可以创建Q系列、QnA系列、A系列、FX系列的数据,实现了设置操作共用化。

GX-WORKS2可实现共用功能（工程、在线、诊断、工具、窗口、帮助）、对各个对象进行编辑及设置的功能（编辑、查找/替换、转换、显示）；同时也是伺服配置软件,用于配置QD75P2定位模块、MR-J2S10B伺服放大器的数据；嵌入式昆仑组态是专业的人机界面设计软件,用于完成人机界面监控画面制作。

2三轴伺服移动平台控制系统结构简介及工作原理

用三菱PLC来控制定位模块，输入输出，再通过定位模块连接伺服放大器，控制伺服电机运行起来。

在实际操作是通过人机界面，也就是触摸屏，通信连接三菱PLC。

为此，所有控制及监控都在触摸屏上进行操作，达到预期效果。

X轴、Y轴、Z轴共三个轴，组装于底座两端的Z轴运动系统，架设于所述底座中部的X轴运动系统，以及固定于Ｘ轴运动系统上的Y轴运动系统，其中，所述Ｘ轴运动系统、Ｙ轴运动系统以及Ｚ轴运动系统分别包括伺服电机及滑动装置，该滑动装置包括导轨和滑块；所述Ｘ轴运动系统还包括一横梁，所述用于驱动该Ｘ轴运动系统的伺服电机和所述导轨固定于该横梁上；所述Y轴运动系统还包括一固定架，所述用于驱动该Ｚ轴运动系统的伺服电机和所述导轨安装于所述固定架上。

三轴运动平台不但可以提高系统运行平稳性和准确性，而且可以实现负载的高速、准确定位。

3主要器件选型

3.1可编程控制器的选型

由于要进行精确定位，对控制性能要求较高，所以选择三菱Q系列PLC，它由电源模块、CPU模块、基板、I/O模块等组成。

通过扩展基板与I/O模块可以增加I/O点数，通过扩展储存器卡可增加程序储存器容量，通过各种特殊功能模块可提高PLC的性能，扩大PLC的应用范围，非常便于使用。

三菱Q00UJCPU-S8具有八个扩展模块128点I/O口，运算速度快，适合车库的需求。

节省空间、节省配线，安装Q系列所需的空间只是原来AnS系列的60%安装灵活。

Q系列有5槽、8槽、12槽多种基板，可灵活配置，减少系统所用基板数。

CC-LINK，它的指令丰富，可以用GXWorks2，也支持编程器编程，它的编程简单，适合大众人群。

它与GXWorks2高速通信，提高了调试效率，通信接口有USB和RS232。

USB接口使它可以和任意一台计算机连接，而RS232可以和触摸屏通信，可以通过触摸屏控制ＰＬＣ。

本系统的X、Y轴伺服定位控制系统启动、停止、双轴的手动JOG正反转、接近开关以及Z轴伺服控制系统的启动、停止、手动正反转、接近开关、系统的回原点等信号；输出端连接的是三个放大器的得电、失电，X\Y\Z轴的近点DOG信号，另外附带的插槽可以自行增减输入输出模块，三菱Q00UJCPU-S8完全可以满足控制要求。

3.2触摸屏的选型

MCGS（MonitorandControlGeneratedSystem，通用监控系统）是北京昆仑通态自动化软件科技有限公司研发的一套用于快速构造和生成计算机监控系统的组态软件。

它能够在基于Microsoft的各种32位Windows平台上运行，通过对现场数据的采集处理，以动画显示、报警处理、流程控制和报表输出等多种方式向用户提供解决实际工程问题的方案，在自动化领域有着广泛的应用。

MCGS主要特性和功能：

（1）简单灵活的可视化操作界面；

（2）实时性强、良好的并行处理性能；（3）丰富、生动的多媒体画面；（4）开放式结构，广泛的数据获取和强大的数据处理功能。

MCGS系统由五大功能模块组成，主要的功能模块以构件的形式来构造，不同的构件有着不同的功能，且各自独立。

三种基本类型的构件（设备构件、动画构件、策略构件）完成了MCGS系统三大部分（设备驱动、动画显示和流程控制）的所有工作。

除此以外，MCGS还提供了一套开放的可扩充接口，用户可根据自己的需要用VB、VC等高级开发语言，编制特定的构件来扩充系统的功能。

MCGS用数据库来管理数据存储，系统可靠性高。

MCGS设立对象元件库，组态工作简单方便，易于实现对工控系统的分布式控制和管理。

触摸屏选用昆仑通态TPC7062KS型，它是以嵌入式低功耗CPU为核心（ARMCPU，主频400MHz）的高性能嵌入式一体化触摸屏。

该产品设计采用了7英寸高亮度TFT液晶显示屏（分辨率800×480），四线电阻式触摸屏（分辨率1024×1024）。

灵敏度较高，而且具有防水防尘。

它可通过RS232、RS485或USB与PLC接口。

它的色彩比较丰富，由65535色7寸屏幕显示，可以增强视觉效果。

触摸屏有丰富资源库，在设计时可以在库里面选择适合元件。

还具有特点：

1实现了显示，运算，通讯全方位的高速化；2高亮度（400cd/m2）显示，提供免受外部光线干扰的完美图像；3分辨率800×480，65535色TFT液晶显示；4显示尺寸：

7英寸；5可视角度：

左右70度，上下70/50度。

6内置64MB标准内存。

3.3伺服电机的选择

如今市面上有很多种类的伺服电机，国内较常用的有日系的三菱、安川、松下、三洋、富士、日立等；美系的有Danaher（原Kollmogen）、Baldor、Parker、Rockwell等；还有是台湾通用伺服：

东元、台达；在大陆有和利时、埃斯顿等。

在这里我们选择三菱公司的HF-KP053，电机自带的编码器反馈信号给驱动器，驱动器根据反馈值与目标值进行比较，调整转子转动的角度。

这款的伺服电机有如下特点：

✧体积小，重量轻，大转矩输出；

✧低惯性，以适应速度指令或位置指令的快速变化；

✧良好的控制性能，以及发电制动功能；

✧宽广的调速范围，即要求伺服电机的转速能够随控制电压的改变能在宽广的范围内连续调节；

✧转矩脉动小。

3.4伺服放大器的选择

在伺服放大器的选择上主要考虑伺服电机的功率，在系统设备中，伺服电机的功率为50W，所以选择三菱公司的MR-J3-10A型的伺服放大器。

此放大器的功率为100W，且设置方便，满足控制要求。

用于驱动伺服电机，能和伺服电机的高分辨率编码器配合。

4控制系统电路设计

4.1PLC外围接线图

如图4-1左边的plc输入信号，右边的是plc输出信号。

图4-1PLC外围接线图

4.2控制系统设计原理图

PLC通过读取触摸屏里个按钮的状态来执行相应的程序，QD75模块通过读取PLC里正在执行的程序，把相应的参数存入QD75模块里，伺服放大器再通过读取QD75模块里的相关的参数来驱动各自对应的伺服电机运行。

伺服电机也会把脉冲数反馈给伺服放大器，伺服放大器又会把收到的数据反馈给QD75模块,判断是否运行到位了，QD75模块也会把收到的数据反馈回PLC里，PLC也会把其收到的数据反馈回触摸屏。

如图4-2所示:

图4-2控制系统设计原理图

4.3控制系统接线图

按照接线图如图4-3进行接线。

用万用表检查接线情况，确保连接正确。

图4-3系统接线图

5参数整定

5.1定位模块参数设置

编程时候用的是GXWorks2软件自带定位参数整定功能

（1）整定的X轴参数为下表5.1-1所示。

（2）整定的Y轴参数为下表5.1-2所示。

5.2伺服系统内部参数设定

伺服参数设置用的是GXWorks2软件自带定位参数整定功能，整定的伺服系统参数为下表5-2所示。

6人机界面设计

在设计三轴伺服移动平台控制系统中，我们用触摸屏代替按钮或开关来操作，触摸屏控制器的主要作用是从触摸点检测装置上接收触摸信息，并将它转换成触点坐标，再送给CPU，它同时能接收CPU发来的命令并加以执行。

在这个系统中，工作时的触摸屏界面包括主界面、操作界面以及手动界面。

如下图所示图4-1为主界面、图4-2为操作界面、图4-3为手动界面。

触摸屏操作步骤如下：

（1）在系统调试之前先将触摸屏程序导入到触摸屏中，以实现控制系统的调节；进入主界面后，触摸界面任何一处进入操作界面；

（2）进入操作页面后，点击外围启动按钮，给伺服放大器上电；按下手动界面按钮进入手动界面；

（3）在手动控制界面中，分别按下X、Y、Z轴的上、下、左、右、前、后按钮，判断其运行是否有误，如无误的话，按下左箭头标志的按钮返回操作界面；

（4）在操作界面里按原点回归按钮，等到回到原点，再按“画直线”或“画圆弧”或“画正方体”或“画圆柱体”或“画图”按扭进行相应动作；

在开始界面中主要是写入一些相关的文字，说明一下系统的名称和制作人。

图4-1主界面

在操作页面里，你按下外围启动按钮后伺服放大器电源导通；接着再按下“画正方体”或“画圆柱体”按扭，就会打印出相应的物体；当按下停止按钮，所有的动作都会停下来；当你按一下再启动按钮，系统又会启动起来；你按一下回原点按钮，X、Y、Z轴都会回归到原点。

在操作界面还有三个页面切换按扭，当按下“手动界面”、“监视页面”、“主界面”按钮后，页面就会切换到相应的画面。

图4-2操作界面

在监视页面里显示的是整个系统的当前所处的状态值，有x、y轴的位置显示和x、y轴的速度显示，还有就是x、y轴的速度波动显示。

当按下“操作界面”、“主界面”按钮后，页面就会切换到相应的画面。

图4-3监控页面

在手动页面中主要是系统的一些点动控制信号的给定，当按一下“x轴向左”按钮，x轴就会实现点动的正转运行，按一下“x轴向右”按钮，x轴就会实行点动的反转运行，与此相似，当按一下y轴向前、向后和z轴上升、下降按钮后，都会实现相应的点动运行。

在原料控制区里，按下进丝按钮，原料就会往喷嘴里装填，按下退丝按钮，原料就会退出喷嘴。

当按下“操作界面”、“主界面”按钮后，页面就会切换到相应的画面。

图4-4手动界面

7系统流程图

在系统搭建完成的前提下，按照定位参数的设置进行系统定位，包括位置控制、速度控制等控制；在原点回归方面，分为手动回原点，机械回原点，如近点DOG运行、点动运行、自动控制状态下，启动、停止的信号的设定，启动后根据系统要求打印的图形进行X、Y、Z轴的定位控制。

在定位过程中如果发生错误动作系统会自动紧急停止，根据系统要求的功能编写程序，下图7-1为程序编写思路的流程图。

8控制程序设计

程序编写分为主程序块和子程序块，利用此种编程方法可使程序模块化，缩短运算周期、控制程序的流程等优点，主程序主要包括系统的公共部分，子程序主要包括原点回归子程序、手动调试子程序、轴速度和位置显示、画直线子程序、画圆弧子程序、画圆柱子程序、写字子程序，下面就系统的功能对以下程序进行大致说明。

外围软件信号

Y10是放大器的电源，Y20是X/Y轴定位模块准备信号，Y40是Z轴定位模块的准备信号。

系统急停信号和系统报警

Y24是X轴停止信号，Y25是Y轴停止信号，Y54是Z轴停止信号。

故障报警信号用于指示系统出错，自动停止系统的运行。

再启动信号

该信号用于急停后的再启动命令，可以恢复急停前的动作状态。

轴故障复位

当轴出现故障时，可以按下复位按钮对进行复位。

这些只是程序其中的一部分，具体程序请至附件3中查阅。

9模拟调试

模拟调试的步骤：

（1）在断电情况下，用编程电缆（PC/PPI电缆）将计算机和PLC主机相连；

（2）接通计算机和PLC的工作电源；

（3）在计算机上运行GXWORK2软件，并进行正确的通信参数设置；

（4）将伺服运动控制系统程序导入至PLC中，并将相关的定位数据同时写入PLC中；

（5）建立计算机和PLC主机的在线联系；

（6）用户程序监视运行。

当PLC主机上的工作方式开关在RUN位置时，执行GXWORK2主菜单中的PLC—RUN命令，则PLC在联机状态下运行，再打开调试菜单，选中程序状态，这时闭合触电和通电线圈内部颜色变蓝（呈阴影状态）。

10联机调试

在硬件线路接好并在断电条件下，按照电路图要求，将PLC和外部设备通过航空插座相连，同时将PLC和编程计算机相连，还有将触摸屏和编程计算机相连。

将系统所有设备接通电源后，PLC在计算机的监视下运行用户程序。

观察系统运行动态是否设计要求相符合。

（1）系统初始化操作，当执行打印前应先执行初始化操作，初始化操作包括X、Y、Z轴的原点归位、定位参数的整定和电气规格的检查。

在向PLC导入程序前首先是对系统的电气检查，在确认系统接线无误后再将程序和QD75定位模块的参数一起写入到PLC中，原点归位采用近点狗信号，并且在人机界面里面设置定位运行的必要参数。

（2）系统的急停和再启动：

当系统在运行时，如遇到突发情况，或者出现故障时，急停按钮发挥作用，立即停止了系统的运行；当系统停止了运行后，急停按钮先进行复位，这时并不能启动系统动作，而按下再启动按钮，才能恢复系统运行，并且从当前位置继续运行下去，直到系统执行完原先未完成的命令或者按下停止按钮才会停下来。

结论与谢辞

一个好的设计，仅仅依靠自己的力量是很难完成的，因为你总会遇见困难，或许老师、同学的一个简单提示就可以让你豁然开朗、让你茅塞顿开，在此次设计过程中，我深刻体会到了这一点的重要性，同时我也深刻的领悟到团队精神的重要，互助精神的必要。

值此论文完成之际，首先要感谢黄老师对我的关心和指导，从论文开题到研究方法的确立，以及研究过程中遇到的各种问题，无不得到老师的悉心指导，在整个论文完成过程中，老师严谨的学术态度，认真负责的学术精神以及系统精湛的专业知识都给我留下了深刻的印象，使学生受益匪浅.

同时，感谢我的同学和朋友们始终的支持我关心我，谢谢您们！

参考文献:

1龚仲华,史建成,孙毅.三菱FX/Q系类PLC应用技术[M].北京:

人民邮电出版社,2006.12.

2郑萍.现代电气控制技术[M].重庆:

重庆大学出版社,2001.12.

3三菱电机株式会社.MR-J2S-BSevoAmplifierinstructionMannual[M].2001.1.

4三菱电机株式会社.QD75MPositioningModuleUsersManual[M].2002.11.

5三菱电机株式会社.Q系列定位模块QD75P/QD75D用户手册[M].2009.

6三菱电机株式会社.Q系列CPU功能解说程序基础[M].1999.12.

7[三菱自动化官方网站]。

8三菱可编程控制器培训教材QD75定位模块。

9三菱电机通用交流伺服放大器技术资料集。