基于D425的两轴控制系统的设计与调试毕业设计.doc

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1、 学号 127301132 苏州市职业大学 毕业设计 题目题目 基于 D425 的两轴控制系统设计与调试 学生姓名： 吴波 专业班级： 12 电气自动化技术 1 班 学院 (部)： 电子信息工程学院 校内指导教师： 邓建平（副教授） 校外指导教师：熊元平（生产部经理） 完成日期： 2015 年 5 月 摘摘 要要 运动控制，简而言之,运动控制是机械传动装置由计算机控制的，但也可以 说是机械运动部件的速度和位置控制，完成相应的操作根据规定轨迹和运动参 数。计算机技术和微电子技术的发展，促进机电一体化技术的进步。因此,运动 控制技术也发展迅速,新产品和新技术，各种运动控制的出现在一条连续的线， 产

2、品结构和生产结构的变化 。 本文主要是运用西门子 D425 模块、simotion D 系统控制伺服电机的速度， 相对运动的速度与速度比，实现对伺服电机的高精度控制，传感器能够准确的 反馈电机的运行状态。 关键词：两轴控制 伺服驱动 D425 苏州市职业大学电子信息工程学院毕业设计 1 AbstractAbstract Servo control. In short, motion control is a mechanical drive device controlled by the computer, but also can be said to control the speed

3、and position of moving mechanical parts, to complete the corresponding operation according to the provisions of the trajectory and motion parameters. Therefore, the motion control technology is also developing rapidly, new products and new technology, the emergence of a variety of motion control in

4、a continuous line. This article mainly is to use Siemens D425 module, system simotion D control servo motor to complete a predetermined orbit. Keywords: two axis control servo drive D425 目目 录录 1 1 概述概述 .1 1.1 伺服控制系统应用现状 1 1.1.1 运动控制技术的发展现状 1 1.1.2 典型运动控制技术应用现状 .2 1.2 西门子 D4XX 系列运动控制模块 3 1.3 SIMOTION

5、 运动控制系统 4 1.4 本课题的实验意义 4 1.5 论文内容及主要工作 .5 2 2 硬件系统设计硬件系统设计 6 2.1 方案设计 6 2.2 运动控制系统选型 .7 2.2.1 西门子 D4 系列选型.7 2.2.2 伺服电机选型.8 3 3 软件系统设计软件系统设计12 3.1 方案设计 12 3.2 组态建立 12 3.3SIMOTION D 轴配置 14 3.4 编程 16 3.5 测试程序运行 22 结论结论 .23 致谢致谢 .24 参考文献参考文献 .25 苏州市职业大学电子信息工程学院毕业设计 1 1 1 概述概述 1.11.1 伺服控制系统应用现状伺服控制系统应用现状

6、 1 1 .1.1.1.1 运动控制技术的发展现状运动控制技术的发展现状 运动控制系统是机械运动的驱动装置，电机为控制对象，控制器为核心， 与执行器，电力电子装置的电力改造，电气传动控制系统的引导下自动控制理 论。这种系统来控制电机的转矩，速度和角度，将电能转换成机械能，进行机 械运动要求的运动。 在电气时代，汽车已在现代化的生产和生活中起着非常重要的作用。不仅 在交通运输，医疗保健，商业和办公，并在家电和消费电子产品，各种电机的 广泛应用。从直流到交流电机控制系统，开环闭环，从模拟到数字，是基于网 络的发展过程中 PC 机和运动控制的伺服控制系统，每个进程的发展在很大程度 上，促进了运动控制

7、系统的发展。 近年来，伺服驱动控制的产品开始走向了机械类的舞台上，所以机械了的 产品的数量和质量成为了我们最关心的问题。因此，近年来许多厂商开始使用 通用伺服驱动控制系统，使得通用伺服驱动控制产品在之前许多冷门的产业中 逐渐的发展起来了。 1.1.21.1.2 典型运动控制技术应用现状典型运动控制技术应用现状 随着机电一体化技术的发展, 运动控制技术越来越受到重视。各种运动控 制的新技术、 新产品层出不穷。下面列举几种有代表性的运动控制技术。 1. 全闭环交流伺服驱动技术 在某些要求的定位精度和机电一体化产品的动态响应，范围广泛的数字交 流伺服系统中的应用。采样后的光电编码器的电机驱动轴端的位

8、置伺服系统， 提供位置和速度的驱动器和电机之间的闭环控制系统。位置控制区分好和良好 苏州市职业大学电子信息工程学院毕业设计 2 的可靠性之间。最近,日本一家公司推出了全新的、以实现全闭环数字伺服系统 的高精度。由于直接驱动，避免了启动电机，变频调速，并与弹性变形、摩擦 磨损和间隙滞后的中间传动环节，大大提高了传动刚度。 2. 直线电机驱动技术 最近，直线电机在机床进给伺服系统中的应用，已经成为世界关注的机床 工具行业。在机床进给系统中，驱动方式是所谓的零传动！。这是因为零传动 方式，达到原来的旋转电机驱动方式不能满足良好的性能和特点：第一，快速 响应。高精度。直线驱动系统由于机械机构如螺丝被取

9、消，以减少进入补时阶 段跟踪误差由于传动系统滞后引起的传动误差，从而大大提高机床的定位精度。 三传动刚度大。由于直接驱动，避免了启动电机，变频调速，并与弹性变形、 摩擦磨损和间隙滞后的中间传动环节，大大提高了传动刚度。第四，速度和减 速过程短。五，行程长度不受限制。通过串联线性电机导轨上，可延长行程长 度。六是安静的。运动如取消机械摩擦螺杆零件，并引导和滚动导轨可以使用 或磁浮轨道，运行时的噪音大大降低。七效率高。这样的系统被广泛应用在磁 悬浮列车，高精密机床和其他设备。 3 可编程计算机控制器技术 继电器控制系统的优点结构简单、价格低廉、抗干扰能力强，至今还在许多 简单的机械设备中使用。但继

10、电器控制系统也有缺点如灵活性差；另外，机械 性触点的工作频率低，易损坏，随着电气控制系统的发展可编程计算机控制器 出现了。可编程计算机控制器是应用扫描周期与实际周期间隔从外部控制房， 满足实时控制的要求。传统的单任务主要扫描时钟,使用 PLC 监控程序要处理或 逻辑操作指令与程序本身和外部状态刷新 I/O 通道采集和处理，直接搜索，LED 控制速度在实际意义上是依赖于应用程序的大小，结果当然是与 I/O 通道在高 速实时控制的要求。它使用一个时间共享机制的构建 multitask ITS 应用软件 平台的运动，这样应用程序的运行周期的长度有什么做的程序，但确定的是由 操作系统的周期。它想，因此

11、，应用扫描周期与实际周期间隔从外部控制房， 满足实时控制的要求。基于 PCC 操作系统，多任务的应用模块，应用软件开发 项目带大的便利。因为它可以很容易根据不同的功能要求的部件的控制项目， 苏州市职业大学电子信息工程学院毕业设计 3 如运动控制，数据采集，告警，PI D 算术来调整，控制程序和通信控制模块的 模块是由分别独立运行，论文和一些相关数据和论文保鲜后降压模块之间的独 立机构和调试，你可以下载到 CPU 的 PCC，在多任务操作系统在调度管理运行 在并行，实现控制要求的项目。PCC 的强大优势在工业控制和可编程控制器， embodies工业控制计算机和分布式工业控制系统（DCS）融合科

12、技发展的趋势， 虽然这仍然是相对年轻的一年新的科技，但其发展潜力不能小视 1.21.2 西门子西门子 D4XXD4XX 系列运动控制模块系列运动控制模块 西门子 D425 运动控制模块 ，西门子 D435 运动控制模块，西门子 D445 运动控 制模块： SIMOTION D425SIMOTION D435SIMOTION D445-1 最大轴数163264 插补循环时钟2.0 ms1.0 ms0.5 ms DRIVE-CliQ 接口数44 6 其中的显示和诊断用于显示运行状态和错误的 LED 。含有 3 测量接口， 并且有维护开关和模式选择开关，内置 I/O8 点数字量输入，通讯接口为 2

13、x PRO- FIBUS DP 和 2 x USB,附加接口（非数据传输）24V 电子电源端子，数据备份 可存储至少 5 天。 1.31.3 SimotionSimotion 运动控制系统运动控制系统 在许多机械制造领域中都有一个原则，尤其是依靠运动控制的机器，其运 动越复杂，对速度及精度的要求也越高。 之前这些运动任务是有机系原件以及若干电子装置来完成。但是如果我们 想使功能有稍微的变化都意味着我们要更换元件 新的结构 配置 参数设置及编 程。全面的自动化系统可以取代这些独立与元件，它可以针对不同任务提供相 应的解决方案。如图 1.1 所示系统性的电子元件代替传统的机械元件。 苏州市职业大学

14、电子信息工程学院毕业设计 4 图图 1.11.1 元件图元件图 1.41.4 本课题的意义本课题的意义 通过采用西门子先进运动控制系统的实验设备，实现了伺服电机的基本运 动功能，具体有以下几点： 1 定位精度高 定位系统通过西门子集成的控制模块，能够对伺服电机进行高精度的 控制，实现精准的定位。 2 操作简单 3 实时监控 伺服电机自带的传感器能够准确的反馈电机的运行状态以及位置。 1.51.5 论文内容及主要工作论文内容及主要工作 西门子 D425 运动控制系统的组态及设计 本课题以西门子的先进运动控制系统设备为平台，并通过伺服驱动控制器 进一步控制伺服电机，利用西门子的软件，对系统的硬件及

15、软件进行组态，并 且将触摸屏添加到系统中，最终实现利用触摸屏来控制伺服电机。 西门子 D425 运动控制系统实现基本运动功能 基于之前的系统组态，在软件中进行编程，控制伺服电机的速度、相对运 动的速度与位置、绝对运动的速度与位置以及同步运动的速度与速度比，实现 了基运动功能。 苏州市职业大学电子信息工程学院毕业设计 5 2 2 硬件系统设计硬件系统设计 2.12.1 方案设计方案设计 本课题以西门子的先进运动控制系统设备为平台，并通过伺服驱动控制器进一步 控制伺服电机，利用西门子 D425，对系统的硬件及软件进行组态，并且将触摸屏添加 到系统中，最终要能够实现控制伺服电机的速度和相对速度，实现

16、对伺服电机的高精 度控制，传感器要能够准确的反馈伺服电机的运行状态，触摸屏要能够体现整个运动 控制系统的数据变化，并且能够准确的控制电机。 . 图 2.1 方案设计 苏州市职业大学电子信息工程学院毕业设计 6 .2.2.2.2 运动控制系统选型运动控制系统选型 2.212.21 西门子西门子 D4D4 系列选型系列选型 作为运动控制系统的代表，西门子将逻辑控制 运动控制（定位、同步等） 以及工艺控制（压力、温度控制等）集成在同一个系统中。西门子提供了三种 硬件平台：用于控制器的 SIMOTION C 平台，用于驱动器的 SIMOTION D 平台， 用于 PC 的 SIMOTION P 平台

17、图 2.2 D4XX 实物图 基于驱动的 SIMOTION 方案，至少有下列四件组件组成： SIMOTION D 控制模块 SINAMICS S120 组件（电源模块，功率模块等） DRIVE-CLIQ 通讯电缆 SIMOTION SCOUT 调试软件 根据以上原则本课题选用 D425 控制模块 苏州市职业大学电子信息工程学院毕业设计 7 图 2.3 D425 接口 2.22.2 2 2 伺服电机选型伺服电机选型 在自动控制系统中，伺服电机为执行元件，它的作用是接收信号到一定速 度的电机或角位移。伺服电动机可分为直流和交流，容量一般在 0.1 100 W 的伺服电机控制系统的要求是：具有较大的

18、速度范围，响应速度快，线性调节 特性和机械特性，没有旋转线现象。 根据上述原则，本课题选择了西门子 1FK7 系列 1 电机，1 电机 1FK7 系列 是高度紧凑的永磁同步电机。根据不同的应用，可以选择相应的编码器。可以 满足用户对机器的要求精益求精。1FK7 系列电机 1 只自然空气冷却，无需外部 冷却系统，通过电机表面热。1 1FK7 电机具有较强的过载能力。它具有以下优 点：高功率密度。用途广泛，型号齐全，极低的转动惯量，高动态响应。 图 2.4 交流伺服电机工作原理图 苏州市职业大学电子信息工程学院毕业设计 8 电气电路图 如下图所示 图 2.5 端子排 图 2.6 伺服电机 苏州市职

19、业大学电子信息工程学院毕业设计 9 图 2.7S120 模块 苏州市职业大学电子信息工程学院毕业设计 10 3 3 软件系统设计软件系统设计 3.13.1 方案设计方案设计 图 3.1 软件流程图设计 3.23.2组态建立组态建立 1 通讯接口，如图 3.2 苏州市职业大学电子信息工程学院毕业设计 11 图 3.2 讯接口 3 如图所示，对调试 PC 机的 IP 地址进行设定。 4 配置 PG/PC 的 IP 地址（应于上图设定一致与 simotion 在同一网段）并分配 通讯节点如图 3.3 3.4 图 3.3 置 IP 地址 苏州市职业大学电子信息工程学院毕业设计 12 图 3.4 置 I

20、P 地址 设置通讯接口 选择“optionPG/PC interface”命令，设置 PGPC 接口与上面一致，如 图 3.5 图 3.5 讯接口设置 编译并下载 simotionD 组态 在与集成的 Sinamics 联机前必须要下载组态，出现提示，选择“NO”后关 闭硬件组态对话框。 苏州市职业大学电子信息工程学院毕业设计 13 3.3Simotion3.3Simotion D D 轴配置轴配置 在 Name 栏中输入轴的名称 选择轴的控制方式（位置方式、速度方式、同步操作方式） 。 （1）选择轴的类型（直线轴或旋转轴） 图 3.6 的类型选择 （2）选择轴的驱动单元和数据传送的报文格式点

21、击“Data transfer from the drive ”按钮将驱动器参数传送： （3）编码器信息 图 3.7 码器信息 完成轴的配置 苏州市职业大学电子信息工程学院毕业设计 14 使用 “Control panel”调试轴参数设置如图 3.8 所示 电机可 运行 图 3.8 调试轴参数设置 Simotion D 运动控制程序 程序分配如下： （1） “MoveAxis”程序控制单元的建立 双击“Insert LAD/FBD unit”插入“MoveAxis”程序控制单元 （2）在“MoveAxis”程序控制单元中建立变量 双击“MoveAxis”程序控制单元，出现一个变量表，在此建 立

22、新变量 （3）双击“Insert LAD/FBD program” ，生成一个新的“LAD”程序 （4）在“poweraxis”程序中插入“轴使能命令 图 3.9 的“LAD”程序 苏州市职业大学电子信息工程学院毕业设计 15 (5)建立“HomeAxis”轴的回零点控制程序，在这个程序中插入轴的回零点 控制 功能块“_mc_home”如图 3.10 图 3.10 零点控制 (6)建立“move”轴的绝对定位及相对定位控制程序，在这个程序中插入轴 的绝对定位功能块“_MC_moveAbsolute”和相对定位功能块“MC MoveRelative” “blueabsoluteexec”是“Tr

23、ue” ， “Axis Blue”轴以 “Velocity”中设置的速度，以绝对定位方式运行至“blueposition”设 定的位置 “blucrelativeExecute” 是“True” ， “Axis_Blue”轴以“Velocity 中” 设定的速度，以相对定位方式运行“relativedistance”设置的距离。 将 D425 中程序下载后将系统模式改为“RUN” ，即可运行 3.43.4 编程编程 1.程序分配如下 “MMC_1”：控制轴 1（Axis_1） （绝对编码器）回到 0 度，轴 2（Axis_2） 增量方式运行一个 0.5 度的增量定位，将坐标置 0，方便演示装置

24、的齿轮 对齐。 “MMC_2”：电子齿轮功能演示。 苏州市职业大学电子信息工程学院毕业设计 16 “MMC_3”：故障处理程序。 “MMC_BK”：主控程序，启动齿轮对齐功能和电子齿轮功能。 （1）MCCQue_1 程序控制单元建立 双击“Insert MCC unit”插入“MCCQue_1”程序控制单元 （2）MMC_1”控制程序建立 双击“Insert MCC chart” ，生成一个新的“MCC”程序：“MMC_1”如图 3-8 图 3.11 MC_1”控制程序建立 （3）双击新插入的命令图标，选择“Axis_1”,然后同样的方式插入 “Axis_2”使能命令。如图 3-9 图 3.1

25、2“Axis_2”使能命令 编译“MCC_1”检查是否正确 3.12 苏州市职业大学电子信息工程学院毕业设计 17 图 3.13 编译检查 “MCC_2”程序编写参照“MCC_1” 图 3.14MCC_2”程序编写 2 参数设置 苏州市职业大学电子信息工程学院毕业设计 18 图 3.15 数设置 图 3.16 数设置 3.编写主控程序 使用“变量监控表”来调试和控制程序运行，定义两个全局变量 “Start_Gearing” ，和“Axis_2_adjust” 。 苏州市职业大学电子信息工程学院毕业设计 19 图 3.17 变量监控表 编写“MMC_BK” 。 图 3.18 配制程序 把程序分配

26、到程序系统中执行 编译所有程序 苏州市职业大学电子信息工程学院毕业设计 20 图 3.19 程序编译 图 3.20 程序编译 同上，把“MMC_2”给“MotionTask2” ， 把“MMC_3”给 “TechnologicalFaultTask”和“PerihperalFaultTask” ， 把“MMC_BK” 给“BackGroundTask” 。选择“Close”按钮存储执行系统设置 注意： Simotion 使用实时操作系统的该念。 执行系统中“BackgroundTask”任务呗操作系统周期调用，作用相 当于 STEP7 中的“OB1”,“BackgroundTask”任务中等待

27、的指令是不可以 使用的，否则会造成系统死机。 “TechnologicalFaultTask”任务是当系统出现报警是被调用， “PerihperalFaultTask”是外部“I/O”出错时被调用，如果这两个任务 苏州市职业大学电子信息工程学院毕业设计 21 没有程序系统会停机，所以把“MMC_3”分配给这两个任务。 “Motiontask”启动一个运动任务，列“定位” ， “Motiontask” 和“BackgroundTask”不同， “Motiontask”被调用后只会执行一次，该任 务可以使用等待指令在执行中无限期等待，但执行后不会自动再次执行。 苏州市职业大学电子信息工程学院毕业设

28、计 22 3.53.5 测试程序运行测试程序运行 图 3.20 程序运行 使用“变量监控表”控制程序运行，使用“Ope rating”控制面板，将 运行状态 STOP 改为 RUN。 将“axis_2_adjust”置为“1” ，由于程序自动复位该变量，导致看不 到看不到该变量为“1” ，每置一次“1”轴 2 将向前运动 0.5 度，直到轴 1、2 的齿轮相对到齿合位置。 同上，置位变量“Start_Gearing”为“1”可以启动电子齿轮运动。 苏州市职业大学电子信息工程学院毕业设计 23 结论结论 基于西门子 D425 的设计，采用了西门子 D425 运动控制模块，结合西门子最新一代的 伺

29、服驱动控制器，对伺服电机进行定位功能的控制，实现了基本的伺服电机的运动功能， 同时用西门子 TP177B 型号的触摸屏代替软件控制伺服电机的速度、位置，是系统更加的 人性化，易于操作，系统运行稳定。 本课题还有以下几个方面可以完善： 1 伺服电机的运动曲线 将伺服电机的实时运动曲线添加到触摸屏上，可以更加直观的看到电机的运行位置， 方便改变电机的速度，提高控制效果 2 伺服电机的位置同步 在本课题中，伺服电机的同步运动只是简单的做了速度上的同步，可以进一步研究控 制电机的位置同步 3 伺服电机的独立控制 相对运动或者绝对运动中，伺服电机只有一个可以控制，可以改变触摸屏的编程，实 现对每一个伺服

30、电机都能进行相对运动和绝对运动的控制。 苏州市职业大学电子信息工程学院毕业设计 24 致谢致谢 很感谢我的指导老师邓建平，他是一位性格温和，和蔼可亲的老师，总是 耐心的指导我，为我点播迷津，在我的毕业设计做做过程中，付出了很多的辛 劳。 本课题从选材上到题目的确定，然后是搜集资料都是在邓老师的帮助下完成的， 因为我这个设计工作量很大，前期需要花很多的时间去完成，做毕业设计之前 对 D425 是不怎么了解的，然后邓老师耐心的给我们讲解，从最基础的开始， 然后还给了我们许多的资料跟视频，前期的工作好坏直接关系到做实验时的好 坏，所以前期我一直在很努力的看资料，就怕到时候跟不上节奏。 ，不过在邓老

31、师的帮助下，我还是把一些概念性的东西弄懂了，这样才好着手后面的设计。 最后在邓老师的帮助下终于完成了我的毕业设计，感激之情溢于言表。 还有我的任课老师，他们也对我的毕业设计提供了很大的帮助，提供了大 量的资料，提供了实验室供我完成实验的东西。同时我也非常感谢苏州市职业 大学的校长，电子学院的院长，主任还有其他的任课老师的悉心帮助，让我能 够在这三年的时间里学到很多知识，最后完成我的毕业设计。 最后，我还是要感谢我的父母，家人对我的支持和关心，让我在毕业之际 能够完成我的设计，让我在青春最美好的时光完成了我的大学时光。其实最应 该感谢的还是我的指导老师邓老师，是他带领我走进了 PLC 的大门，让

32、我开始 在这方面有所了解，开始学习，最后完成我的毕业设计。邓老师是一位学识渊 博的老师，他的性格特别好，很亲切，很有耐心，我在完成毕业设计之前，有 好多问题都不太明白，邓老师都是耐心的帮助我，解决我的问题，感激之情溢 于言表。 时光荏苒，转眼间，大学三年的美好时光就要过去了，在这三年里我学到了 很多知识，做人的道理，处事的方法，对我以后的人生将是一笔很大的财富！ 苏州市职业大学电子信息工程学院毕业设计 25 参考文献参考文献 1舒志兵交流伺服运动控制系统(第二版)，清华大学出版社，2006 2谭蒂娃，金如麟永磁同步电动机系统的应用和研究，2005 3陈先锋.伺服控制技术自学手册，北京：人民邮电

33、出版社，2010.1 4D425 入门指南手册 5西门子用于 D425 的同步伺服电机 1FT7 手册 6田宇.伺服与运动控制系统设计，北京：人民邮电出版社，2010.5 7西门子 SINAMICS D425 调试手册 8孙克梅，腾金玉.交流伺服电机的单片机控制及其应用,沈阳航空工业学 院学报，2003 9陈先锋.SIEMENS 数控技术应用工程师，北京：人民邮电出版社， 2011.2 10SIMATIC HMI WinCC flexible 2008 使用入门手册 11SINAMICS S120 书本型功率单元手册 12SINAMICS D425 故障安全功能（PROFIsafe）调试指导手册 13SINAMICS S120 S150 参数手册 14刘华波，何文雪，王雪.西门子 S7-300/400PLC 编程与应用,北京：机 械工业出版社，2009.10 15席巍.人机界面组态与应用技术，北京：机械工业出版社，2010.4 16西门子（中国）有限公司编.深入浅出西门子人机界面，2009.4