二自由度运动控制系统

二自由度运动控制系统

KNT-PHT2

预习报告

班级：自动化4班 学号：201132010417 姓名：罗滨

一、实验目的

1．掌握二自由度运动控制系统实训装置的基本组成 2．掌握设备基本部件的作用

二、实验设备

1．二自由度运动控制系统实训装置 2．AC 220V 电源

三、KNT-PHT2 实训装置的基本构成及特点

1、 二自由度运动控制系统在理解和掌握气动应用和位置控制原理的基础上， 利用 PLC

或其他控制器实现对其控制，利用设备控制面板上的模式旋钮来选择 自动/手动的运行方式，该实训装置主要由二维画笔和电控系统两大部分所组成。

（1）、二维画笔 二维画笔由二维十字滑台、工作台、画笔台、控制盒及实训桌等组成。

a 二维十字滑台

结构： 二维十字滑台主要 X 轴滚珠丝杠副运动机构和 Y 轴滚珠丝杠副运动机构所组成。Y 轴滚珠丝杠副运动机构是直接安装在实训桌面的，X 轴滚珠丝杠副运动机构是安装在 Y 轴滚珠丝杠副运动机构的滑块上面的， 这样 X 轴滚珠丝杠副运动机构、Y 轴滚珠丝杠副运动机构就组合成了一个二维十字滑台滚珠丝杠副运动机构：滚珠丝杠副运动机构由前后支撑块、驱动电机（伺服电机）及支架、导柱、 滑块、滚珠丝杠副以及磁簧开关等器件构成。其中，滚珠丝杠副运动机构由前后支撑块、驱动电机（伺服电机）及支架、导柱、滑块、滚珠丝杠副以及磁簧开关等器件构成。

特点：当驱动电机转动时，由于电机轴与滚珠丝杠副运动机构的滚珠丝杠副通过弹性联轴器连接，所以滚珠丝杠与电机同步转动，而装在滚珠丝杠副上面的螺母块是与滑块位固定在一起的，螺母块会随着滚珠丝杠副的正反转动做左右运动，所以滑块沿着两根导柱做直线运动。 此外，滚珠丝杠副运动机构的原点位置是用磁簧开关检测定位的，并在两端的极限位置上安装了硬限位开关（磁簧开关），可有效防止由于运行超程而引起的机械或电气设备的损坏。 该运动机构具有行走阻力小、运行平稳、精度高等特点，通过伺服电机驱动，可以实现高精度的定位控制和比较复杂的轨迹运动控制。

b 工作台 用于放置 A4 纸，在加工过程中带动工件进行移动加工。 c 画笔台 画笔台主要有画笔支架、电磁铁、笔筒等组成。

d 控制盒 主要由铝型材加工制作，在其面板上装有控制开关和按钮。 各开关、按钮名称功能说明如下： ○1“启动”按钮，自动运行时启动控制按钮。 ○2“停止”按钮，停止设备控制按钮。 ○3 报警指示灯。 ○4“紧急停止”按钮，当遇到突发事件或异常状况时，按下此按扭，自动门系统由于断电，立即停止运行，待人来处理问题，从而保护人身和设备安全。如要从新运行设备，必须

通过手动将此按钮复位后，系统才能恢复供电，从新启动运行设备。 ○5“手动/自动”二位主令开关，手动运行和自动运行模式选择开关。 ○6“速度选择”按钮，手动运行模式下，确定所选轴的速度。 ○7“复位”按钮，复位控制按钮。 ○8“画笔”按钮，手动模式下，控制画笔的上下。 ○9 手动摇柄，手动模式下，控制X轴、Y轴的运动。 e 实训桌

本实验装置的桌面和桌脚全部采用优质标准铝型材加工，重量轻、强度好、美观大方，实训台桌面丛向开有间隔距离均匀的若干T型槽，各种机械部件和各种电器元气件可以方便的在桌面上安装拆卸，另外桌脚设有滑轮实训装置可以方便的移动。

（2）、电控系统

电控系统是由伺服电机及驱动器组件、电气电路等两部分所组成。 a 伺服电机及驱动器 该设备的 X、Y 各轴的运动均由伺服电机驱动，具体型号为如下： 伺服电机：TSB07301C2NT3 伺服驱动器：KNT-KSA 系列 用户通过各运动指令向伺服系统发出定位命令，伺服电机通过接收驱器 的信号实现用户设定的定位控制。

b 电气电路 该部分是由断路器、继电器、开关电源、PLC、EM227 通讯模块、接线端子 等组成。 ○1 小型断路器：控制设备电源通断。 ○2 开关电源：将交流220V转换为直流24V供中间继电器，传感器等弱电电路使用。 ○3 西门子200PLC。 ○4 EM227 通讯模块：型号为6ES7277-0AA22-0XA0，用于PLC之间的通讯。 ○5 继电器：用于控制画笔电磁铁和伺服驱动器的使能。 ○6 X轴伺服驱动器，Y轴伺服驱动器。 ○7 接线端子。

四、扩展——伺服电机步进电机区别

1、伺服电机的类型和工作特点

伺服电动机又称执行电动机，在自动控制系统中，用作执行元件，把所收到的电信号转换成电动机轴上的角位移或角速度输出。分为直流和交流伺服电动机两大类，其主要特点是，当信号电压为零时无自转现象，转速随着转矩的增加而匀速下降.。 2、交流伺服电机和无刷直流伺服电机在功能上有什么区别

交流伺服要好一些，因为是正弦波控制滚珠丝杆，转矩脉动小。直流伺服是梯形波。但直流伺服比较简单，便宜。

永磁交流伺服电动机同直流伺服电动机比较，主要优点有： ⑴无电刷和换向器，因此工作可靠，对维护和保养要求低。 ⑵定子绕组散热比较方便。 ⑶惯量小，易于提高系统的快速性波纹管联轴器。 ⑷适应于高速大力矩工作状态。 ⑸同功率下有较小的体积和重量。 3、伺服电机和步进电机

伺服主要靠脉冲来定位，基本上可以这样理解，伺服电机接收到1个脉冲，就会旋转1个脉冲对应的角度，从而实现位移，因为，伺服电机本身具备发出脉冲的功能，所以伺服电机每旋转一个角度，都会发出对应数量的脉冲，这样，和伺服电机接受的脉冲形成了呼应，或

者叫闭环，如此一来，系统就会知道发了多少脉冲给伺服电机，同时又收了多少脉冲回来，这样，就能够很精确的控制电机的转动，从而实现精确的定位，可以达到0.001mm。 步进电机是一种离散运动的装置，它和现代数字控制技术有着本质的联系。在目前国内的数字控制系统中，步进电机的应用十分广泛。随着全数字式交流伺服系统的出现，交流伺服电机也越来越多地应用于数字控制系统中。为了适应数字控制的发展趋势，运动控制系统中大多采用步进电机或全数字式交流伺服电机作为执行电动机。虽然两者在控制方式上相似（脉冲串和方向信号）弹性联轴器，但在使用性能和应用场合上存在着较大的差异。 4、伺服电机和步进电机的性能差别 ○1、控制精度不同

两相混合式步进电机步距角一般为3.6°、 1.8°，五相混合式步进电机步距角一般为0.72 °、0.36°。也有一些高性能的步进电机步距角更小。如四通公司生产的一种用于慢走丝机床的步进电机，其步距角为0.09°；德国百格拉公司（BERGER LAHR）生产的三相混合式步进电机其步距角可通过拨码开关设置为1.8°、0.9°、0.72°、0.36°、0.18°、0.09°、0.072°、 0.036°，兼容了两相和五相混合式步进电机的步距角。

交流伺服电机的控制精度由电机轴后端的旋转编码器保证。以松下全数字式交流伺服电机为例，对于带标准2500线编码器的电机而言，由于驱动器内部采用了四倍频技术，其脉冲当量为360°/10000=0.036°。对于带17位编码器的电机而言，驱动器每接收

217=131072个脉冲电机转一圈，即其脉冲当量为360°/131072=9.秒。是步距角为1.8°的步进电机的脉冲当量的1/655。 ○2、低频特性不同

步进电机在低速时易出现低频振动现象。振动频率与负载情况和驱动器性能有关，一般认为振动频率为电机空载起跳频率的一半。这种由步进电机的工作原理所决定的低频振动现象对于机器的正常运转非常不利。当步进电机工作在低速时，一般应采用阻尼技术来克服低频振动现象，比如在电机上加阻尼器，或驱动器上采用细分技术等。

交流伺服电机运转非常平稳膜片联轴器，即使在低速时也不会出现振动现象。交流伺服系统具有共振抑制功能，可涵盖机械的刚性不足，并且系统内部具有频率解析机能（FFT），可检测出机械的共振点，便于系统调整。 ○3、矩频特性不同

步进电机的输出力矩随转速升高而下降，且在较高转速时会急剧下降，所以其最高工作转速一般在300～600RPM。交流伺服电机为恒力矩输出，即在其额定转速（一般为2000RPM或3000RPM）以内，都能输出额定转矩，在额定转速以上为恒功率输出。 ○4、过载能力不同

步进电机一般不具有过载能力。交流伺服电机具有较强的过载能力。以松下交流伺服系统为例，它具有速度过载和转矩过载能力。其最大转矩为额定转矩的三倍，可用于克服惯性负载在启动瞬间的惯性力矩。步进电机因为没有这种过载能力，在选型时为了克服这种惯性力矩，往往需要选取较大转矩的电机，而机器在正常工作期间又不需要那么大的转矩，便出现了力矩浪费的现象。 ○5、运行性能不同

步进电机的控制为开环控制，启动频率过高或负载过大易出现丢步或堵转的现象，停止时转速过高易出现过冲的现象，所以为保证其控制精度，应处理好升、降速问题。交流伺服驱动系统为闭环控制，驱动器可直接对电机编码器反馈信号进行采样，内部构成位置环和速度环，一般不会出现步进电机的丢步或过冲的现象，控制性能更为可靠。 ○6、速度响应性能不同

步进电机从静止加速到工作转速（一般为每分钟几百转）需要200～400毫秒。交流伺服系统的加速性能较好，以松下MSMA 400W交流伺服电机为例，从静止加速到其额定转速3000RPM仅需几毫秒，可用于要求快速启停的控制场合。

综上所述，交流伺服系统在许多性能方面都优于步进电机。本实验中选取伺服电机而不选取步进电机，是因为伺服电机能够更高精度、更平稳（不会出现低频振动现象）的控制系统运动；伺服电机有负载能力，不会造成力矩的浪费；此外，伺服电机为闭环控制，控制更为精确；伺服电机的响应性能也优于步进电机，能够快速启停，更好的控制画笔。但在一些要求不高的场合也经常用步进电机来做执行电动机。所以，在控制系统的设计过程中要综合考虑控制要求、成本等多方面的因素，选用适当的控制电机。