第10章计算机控制系统应用实例(5)

图10.23 罗克韦尔自动化公司8轴伺服系统的构成

图10.24 随动实验控制系统

1、硬件系统简介

1756-M08SE模块是美国罗克韦尔自动化公司出品的基于ControlLogix平台的8轴SERCOS接口数字式运动控制模块。该模块通过RX（接收端口）和TX（发送端口）提供ControlLogix平台与伺服驱动器之间的光纤连接，确保可靠的高速数据传送。它可以将多轴集成运动控制与ControlLogix平台无缝集成为一体，通过SERCOS接口将ControlLogix连接到驱动器。进行参数刷新并实现对运动的实时控制。

1756-M08SE模块采用SERCOS接口进行实时数据传输与处理。SERCOS是唯一的开放式标准，这种通讯标准允许多个伺服传动机构通过一根共用的抗噪光纤线缆连接到一个动作控制器上。一旦安装就位，SERCOS网络连接形成一个回路，避免了为

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每一个传动机构单独硬接线到动作控制器。SERCOS标准真正与众不同之处在于，它通过一个保证毫微秒同步的协议，协调自动化设备上多个轴的动作。它同时提供控制系统和传动机构之间变量交换的标准化格式，有助于提高通讯速度，增强抗噪能力，扩大开放性，使硬件标准化并使用更少的连接电缆和电线，从而进一步简化了元部件的更新和系统升级。

1756-M08SE模块的一般技术参数为：轴数目最多为8个轴；模块置于1756ControlLogix机架，采用电子型识别，最大功耗3.2W，背板电流5.1V DC600mA和24VDC2.5mA。通讯参数：SERCOS等级为Class B（位置或速度），数据速率4Mbits/s，工作周期1~4轴为lms，5~8轴为2ms。塑料光纤参数：传送范围1~32m，缆芯直径为（980±160）μm，包层直径为（1000±60）μm，电缆衰减140dB/km 650N·m(5752.51b·in)，最小弯曲半径24.765mm（0.975in），工作温度（-55~85）℃，连接器采用F-SMA标准螺丝型连接器。玻璃光纤参数：传送范围1~200m，缆芯直径（200±4）μm，包层直径（230±10μm），电缆哀减6.0dB/km 820N·m(72571b·in)，最小弯曲半径24.765mm（0.975in），工作温度（-20~85）℃，连接器采用F-SMA标准螺丝型连接器。

1756-M08SE模块使用RSLogix5000软件建立并组态驱动器和电动机，实时光纤将ControlLogix连接到驱动器进行参数刷新，支持8个伺服驱动轴，具有更大的应用灵活性。支持分布的和方便的驱动，塑料光纤最长可达32m，玻璃光纤最长可达200m，减少了总的接线量。支持高分辨率的电动机位置反馈、单圈和多圈绝对值反馈，消除因断电造成代价很高的停工和复位。

2、硬件系统的结构及各部分组成

采用罗克韦尔自动化公司8轴伺服系统的硬件结构如图10.25所示。

图10.25 系统硬件结构图

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系统各部分组成如下： （1）Logix5555处理器

Logix5555处理器具有完整的运动控制功能，通过高速度的背板，处理器可与伺服接口模块进行通讯，从而实现高度的集成操作及位置环和速度环的闭环控制，如图10.26所示。

（2）1756-M08SE SERCOS接口模块

1756-M08SE 8轴SERCOS接口模块提供ControlLogix平台与伺服驱动器之间的光纤连接，光纤

图10.26 Logix5555处理器

介质提供良好的抗干扰性和高速数据传送，提高了通讯速度以及驱动器和运动模块之间的互连性，图10.26中方框内模块即为1756-M08SE SERCOS接口模块。

（3）SERCOS通信系统

SERCOS（Serial Real-time Communication System，串行实时通信系统）是一个高速通信协议，特别设计用于快速响应的分布式控制系统。它是一个开放的数字驱动接口规范(IEC1491)，设计用于标准运动控制数据的串行实时通信，使用光纤作为传输介质。

（4）Ultra3000-SE伺服驱动器。

Ultra3000-SE伺服驱动器可以驱动多种无刷伺服电机，包括F-、H-、LD-、MP-、N-、W-和Y-系列电机，支持增量型、高分辨率、多圈绝对值反馈编码器，带有智能反馈元件的自动识别电机能力，无需手动配置电机参数，并且七段LED状态及故障显示灯便于故障的诊断。Ultra3000-SE伺服驱动器如图10.27所示。

（5）F-系列电机及编码器。

F-系列电机通常用于要求具有更大惯量匹配能力的应用场合，最高转速达到4000 RPM，安装有2000线增量式编码器，四倍频输出，每转8000个脉冲。F-系列电机及编码器如图10.28所示。

图10.28 电机及编码器 图10.27 伺服驱动器

10.3.3 控制方案

本实验中，随动系统的控制器是Logix5555处理器，控制方式通过RSLogix 5000 编程软件实现，考虑到以下原因：

（1）RSLogix 5000不适合于编写大型的计算程序；

（2）本实验系统中，各元件的实际传递函数不易得到，不适合用频率设计法；

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（3）伺服电机均不带负载，惯性不大，系统中也不存在严重的外部干扰。 控制律设计采用传统的PID方法，就可能获得较好的控制效果。PID控制方法在RSLogix 5000软件中有专有模块，直接调用编程即可。

控制方案设计时需要考虑采样周期及PID参数。采样周期在满足系统要求的条件下应该较小为宜，考虑到控制器的程序扫描速度，将采样周期定为0.01秒。PID参数先通过“扩充响应曲线法”参数整定法预先得到一组整定参数，再在实验中不断的调整。

10.3.4 系统软件设计

1、软件开发环境

软件设计由罗克韦尔自动化公司的RSLogix5000编程软件实现。RSLogix5000软件是Windows操作系统下的可编程序开发软件，包括RSLogix5000和Logix5555处理器编程软件包。由于可以使用梯形图进行编程，操作简单，界面直观。并且该软件提供了多达32条运动控制梯形图指令，包括状态控制、运动控制以及凸轮编辑器功能，可以对伺服电机实现强大的控制。这些命令支持各种运动功能，从简单的点-对-点运动到复杂的齿轮传动。

2、应用软件的开发

应用罗克韦尔自动化公司的8轴伺服系统进行随动控制实验，首先需要进行伺服轴的配置，需要按照RSLogix5000编程软件的要求，依次进行选择控制器、I/O模块配置、运动模块配置和运动组组态的配置操作。

然后进行实验系统的软件设计，实验中，将使用一台伺服电机实现位置的阶跃信号及正弦信号跟随。具体如下：

（1）创建一个新的程序，并对系统进行组态。由于本实验最多只用到两个伺服轴，所以配置两个即可（这里使用的是节点地址为2和3的两个轴），并将两个轴添加到“GROUP_1”组里。配置好后的格式如图10.29所示。

（2）右击“GROUP_1”，选择“Properties”，如图10.30所示，打开属性对话框。 （3） 在“Attribute”选项卡下，将“Coarse Update Period”设置为2ms，如图10.31所示。

（4）右击“AXIS_1”，选择“Properties”，打开属性对话框。在属性对话框的“Drive/Motor”选项卡下，将“Loop Configuration”设置为“Velocity Servo”，并在“Real Time Axis Information”的“Attribute 2”中选择“Position Feedback”，如图10.32所示。

（5） 按如上步骤，打开AXIS_2属性对话框中的“Drive/Motor”选项卡，将“Loop Configuration”设置为“Position Servo”，如图10.33所示。

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图10.29 伺服轴配置格式

图10.30 选择“GROUP_1”的“Properties”

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