基于工控机的伺服控制系统设计

＊*大学

本科生毕业设计（论文）

学院（系）： ** 专 业: ＊* 学 生： ** 指导教师： *＊

完成日期 2013 年 * 月

*＊大学科生毕业设计（论文）

基于工控机的伺服控制系统的设计与实现

Design and Implementation of Servo Control System Based on

Industrial Personal Computer

总 计: 30 页 表 格: 9 个 插 图： 34 幅

＊＊大 学 本 科 毕 业 设 计（论文）

基于工控机的伺服控制系统的设计与实现

Design and Implementation of Servo Control System Based on

Industrial Personal Computer

学 院（系）: *＊ 专 业： ＊＊ 学 生 姓 名: ＊＊ 学 号： ** 指 导 教 师（职称）： *＊ 评 阅 教 师： 完 成 日 期：

基于工控机的伺服控制系统的设计与实现

基于工控机的伺服控制系统的设计与实现

自动化专业 ＊＊

［摘 要] 本设计主要是以工控机作为上位机实现系统的监控，台达PLC作为现场控制器，伺服控制器作为执行器,PLC通过发送脉冲来实现交流伺服电机的正反转、点位控制和直线插补运动。其中工控机和台达PLC是以RS232串口和ASCII协议的通讯方式控制ECMA—C30602ES伺服电机,力控软件和伺服驱动器以MODBUS协议通讯方式对电机运动状态进行实时监控。使用ASDA-soft软件,以ASCII通信协议，完成了伺服驱动器的速度与定位测试；通过上位机监控程序的设计和PLC的编程,实现了伺服电机的速度控制与点位控制，经调试，运行情况满足系统性能要求。

［关键词］ 工控机；伺服驱动器；伺服电机；可编程控制器

Design and Implementation of Servo Control System Based

on Industrial Personal Computer

Automation Specialty ＊＊

Abstract：This design is mainly to industrial control computer as the monitoring host computer system， Delta PLC as field controller, servo controller as the actuator, PLC by sending a pulse to achieve positive， AC servo motor position control and linear interpolation。 The industrial control computer and delta PLC is based on RS232 serial port and ASCII protocol communication control ECMA—C30602ES servo motor, the force control software and servo drive based on MODBUS protocol communication mode of motor state monitor。 The use of ASDA—soft software， the ASCII communication protocol, completed the test speed and position servo drive; through the design of PLC monitoring procedure programming， to achieve speed control and servo motor control， debugging， operation to meet the system performance requirements.

Key words: Industrial personal computer； servo driver； servo motor； programmable logic controller

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基于工控机的伺服控制系统的设计与实现

目 录

1 引言.............................................................. 1 1。1 研究背景及意义 ............................................... 1 1.2 设计目的 ...................................................... 1 2 设备选型.......................................................... 1 2.1 台达伺服驱动器 ................................................ 1 2。1.1 伺服驱动器基本硬件配置方法 ............................... 3 2.1.2 驱动器信号端口的说明 ...................................... 4 2。2 台达伺服电机 ................................................. 5 2.3 台达可编程控制器 .............................................. 7 2.3.1 DVP-40EH系列PLC的认识................................... 7 2.3。2 PLC的铭牌说明........................................... 8 2。3。3 PLC的型号说明.......................................... 8 2.3.4 DVP-40EH系列PLC面板介绍................................. 8 2.3.5 PLC功能规格.............................................. 9 2.3.6 WPLSOFT软件............................................. 10 3 伺服驱动器的调试................................................. 11 3。1 空载的速度测试 .............................................. 13 3。2 空载的定位测试 .............................................. 14 4 硬件平台的设计................................................... 16 4。1 计算机与PLC的通讯 .......................................... 16 4。2 PLC与伺服驱动器的通讯 ...................................... 17 4。2.1 PLC与伺服驱动器的配线................................... 17 4.2.2 伺服驱动器的参数设置 ..................................... 18 4.3 系统的建立 ................................................... 19 5 PLC控制程序的设计 ............................................... 19 5。1 应用指令的功能简介 .......................................... 20 5。2 PLC元件说明 ................................................ 21 5.3 加减速程序设计 ............................................... 22 5。4 正反转程序设计 .............................................. 23 5。5 定位程序设计 ................................................ 24 6 监控软件设计..................................................... 26 6。1 力控与台达PLC通讯设置 ...................................... 26

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6.2 力控数据库的组态 ............................................. 27 6.3 力控监控画面的设计 ........................................... 28 6.3。1 速度显示曲线 ............................................ 28 6。3.2 定位监控画面 ............................................ 29 7 实验结果与分析................................................... 30 结束语............................................................. 31 参考文献........................................................... 32 附录一:数字输入（DI）功能定义表.................................... 33 附录二：数字输出（DO)功能定义表.................................... 36 附录三：程序....................................................... 37 致谢............................................................... 39

III

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1 引言

1。1 研究背景及意义

伺服控制技术是自动化学科与生产部门联系最紧密、服务最广泛的一个分支。近年来，伺服系统在高科技领域的应用越来越广泛,如激光加工、机器人、数控机床、大规模集成电路的制造、办公自动化设备、雷达和各种军用武器随动系统、以及柔性制造系统（FMS—FlexibleManufacturingSystem）等.不光设计到微电子行业、机械制造行业、通信行业、军事行业还有冶金行业、航天工业、运输行业以及家庭生活各个方面，而且必将发展应用到更新的领域。

计算机控制技术是一个包括自动控制技术、计算机技术、网络与通信技术、检测与传感技术、显示技术、电子技术的多学科交叉的综合控制技术。其各个技术的发展与进步必然会给计算机控制技术带来巨大的变革。其次实际的工业需求也是决定计算机控制技术发展趋势的主要因素。

随着自动化的快速发展，计算机在工业中也得到了广泛的应用.在计算机的帮助下对自动控制系统进行实时监控。本次设计主要是借助计算机对伺服电机进行有效的控制达到设计要求[1］。

1。2 设计目的

为了让交流伺服电机的用途更加广泛,本次设计用台达PLC编程，计算机来监控使电机按照预定的轨迹，预定的速度、设定的位置做相应的运动.从而实现自动和远程操控。

通过用计算机来控制伺服电机，不仅能检测运动状态还可以进行控制，即直观又方便。实现交流伺服电机的有效控制，可以在很多的领域的到广泛的应用，为以后的学习和应用者提供很大的帮助。

通过本次设计也使我学到了很多书本上没有的知识,并且对计算机控制和伺服控制技术有了进一步的了解，为以后的学习打下了坚实的基础.对伺服驱动器、可编程控制器、计算机控制技术有了系统的了解。

2 设备选型

2。1 台达伺服驱动器

伺服驱动器是用来控制伺服电机的一种控制器，其作用类似于变频器作用于普通交流马达,属于伺服系统的一部分。而台达伺服驱动器是台达公司研发的，只能用于控制台达伺服电机的一款伺服驱动器，其作用类似于用台达变频器去控

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制三项异步交流电机。台达伺服驱动器产品的控制回路均采用高速数字信号处理器，配合增益自动调整、指令平滑功能的设计及软件分析与监控，可达到高速位移、精确定位等运动控制需求。台达公司有ASDA—A、ASDA-B、ASDA—AB、ASDA—A2、ASDA-B2等系列的驱动器，每个型号的驱动器的功能都不同并且使用方向也有所不同，根据本次设计的要求,本次设计选用ASDA—AB型号的驱动器［7]，以下是它的详细介绍，它的铭牌说明如图1所示,序号说明如图2所示，型号说明如图3所示。

产品型号功率规格输入电源规格输出电源规格条码及生产管制序号固定版本 图1 驱动器铭牌说明

A0721-AB 0 T 7 08 0021制造序号生产周次生产年份（7:2007年）制造工厂（T:桃园厂；W:吴江厂）台达标准品生产机种图2 驱动器序号说明

A S D – A 0 4 2 1 – A B产品系列A:A系列产品名称ASD:AC Servo Drive专用机B:支持ECMA电机机种编码器分辨率A:2500ppr输入电压及相数21:220V单相23:220V三相额定输出功率01:100W 10:1KW02:200W 15:1.5KW04:400W 20:2KW07:750W 图3 驱动器的型号说明

台达ASDA-AB伺服驱动器内置Pt位置控制模式（命令由端子输入）、Pr

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位置控制模式（命令由内部寄存器输入)、S速度控制模式（端子/内部寄存器）、T扭矩控制模式(端子/内部寄存器）、Sz零速度/内部速度寄存器命令、Tz零扭矩/内部扭矩寄存器命令六种模式,可以通过伺服驱动器参数（P1—01)的设置来选择模式.本次设计中主要用到的是伺服驱动器的位置脉冲(Pt）模式，它是通过脉冲的频率决定电机的转速,脉冲的个数决定电机转动的圈数,其对速度和位置都有严格的控制，一般用于定位控制。PLC根据控制要求发出一定频率和个数的脉冲实现位置的精确定位。伺服驱动器在位置脉冲模式下脉冲接受形式如图4所示.三种脉冲形式最方便的是脉冲和方向控制，这也是本次设计中采用的方法,正负脉冲的形式也相对简单，伺服的一个脉冲口为正方向的脉冲输入口，另一个就为负方向控制口，采用AB相脉冲的话，可以直接和编码器进行连接,因为编码器发出的AB相脉冲，这样可以减少PLC这一环节，在实际设计中减少了设备的成本。

图4 脉冲信号形式

2.1。1 伺服驱动器基本硬件配置方法

伺服驱动器上主要有主回路电源接口、输出电源接口、信号接口(CN1）、电机编码器接口（CN2）以及通讯接口（CN3)等.驱动器的各部分名称及说明如图5所示。驱动器使用时需注意以下问题：

（1）检查R、S、T与L1、L2的电源和接线是否正确。

（2）确认伺服电机输出U、V、W端子相序接线是否正确，接错电机可能不转或乱转。

（3）使用外部回生电阻，需要P、D端开始,外部回生电阻应接于P、C端，若使用内部电阻时,则需将P、D端短路且P、C端开路.

(4)异警或紧急停止时，利用ALARM或是WARN输出将电磁接触器（MC）断电，以切断伺服驱动器电源.

(5)在110V机种，已将三相电源表示法R改为L1M,S改为L2M,成为单相入电，其原先T相入电位置已无任何作用(无回路）.

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图5 驱动器各部分名称及说明

2.1.2 驱动器信号端口的说明

驱动器主要有有CN1、CN2、CN3三个信号接口[7］,以下是详细介绍。 （1）驱动器的CN1端口主要是和上位控制器（台达可编程控制器)链接，通过脉冲来控制电机的转动.为了能更好的与上位控制器通信CN1端口提供了5组输出和8组输入。控制器提供的八个输入设定与五个输出分别为参数P2—10到P2—22。CN1的脉冲指令可以使用开集极方式或差动Line driver方式输入,差动Line driver输入方式的最大输入脉冲为500kpps，开集极方式的最大输入脉冲为200kpps.本次设计主要采用的是内部电源（集极开路）。CN1具体接线端子和集极开路如图6所示.

图6 CN1接线端子和集极开路

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(2）驱动器CN2是编码器信号接线端口。ECMA系列的电机内附一个2500pprA、B、Z、U、V、W的编码器。从电源启动时U+、V+、W+、U—、V—、W—信号即在0。5秒内以六条线告知驱动器，再下来同样六条线转换成A+、B+、Z+、A-、B-、Z—信号.2500pprA、B信号进入驱动器后即成为10000ppr,再加电源Vcc（2条）和地（GND)（2条），编码器连线共有10条。CN2连接器的接线端外型如图7所示。

图7 CN2接线端

(3）CN3是驱动器的通讯口，驱动器通过通讯端口与电脑相连，还可以通过MODBUS协议与台达公司提供的专用软件ASDA-SOFT通信。驱动器提供了RS-232、RS—485、RS—422三种通信方式，可以通过参数（P3—05)设定.本次设计主要是力控软件通过RS-232串口与驱动器通讯从而把电机的运动状态反馈出来。CN3的具体接线端如图8所示。

图8 CN3接线端

2。2 台达伺服电机

本次设计主要用的是与伺服驱动器配套的ECMA-C30604ES系列交流伺服电机。它有定子和转子两部分组成,内部的转子是永磁铁，驱动器控制的U/V/W三相电形成电磁场，转子在此磁场的作用下转动，同时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。它的主要技术参数有额定功率0。4KW、额定电压110V、额定电流26A。具体铭牌如图9所示，序号说明如图10所示，型号说明如图11所示。

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产品型号输入电源规格输出电源规格条码生产管制序号

图9伺服电机的铭牌

C30604ES 0 T 7 03 0031制造序号生产周次生产年份（7:2007年）制造工厂（T:桃园厂；W:吴江厂）台达标准品生产机种

图10伺服电机的序号说明

E C M A-C 3 0 6 0 4 E S产品名称ECM:电子换相式电机驱动型态A:交流伺服系列名称额定电压及转速C:220V/3000rpmE:220V/2000rpmG:220V/1000rpm感测形式3:2500ppr电机框架尺寸04:40mm 08:80mm 13:130mm06:60mm 10:100mm 18:180mm标准轴径规格：S特殊轴径规格：1=11mm,7=14mm,6=16mm9=19mm,2=22mm,4=24mm8=28mm,5=35mm,3=42mm轴径无刹车有刹车无刹车有刹车型式无油封有油封有油封有油封圆轴CDABHEFG键槽QRS键槽P额定输出功率01:100W 05:500W 10:1KW02:200W 06:600W 15:1.5KW03:300W 07:750W 20:2KW04:400W 09:900W 图11 伺服电机的型号说明

编码器用于测量速度、位置、速度或角度等物理量.它是把机械位移量转变成电信号的传感器，分为增量型和绝对值两种.增量型编码器产生脉冲信号，利用脉冲数可测量速度，长度或位置。对于绝对性编码器，每一个位置对于一个位移的数字量数值。编码器内部有一个转动的圆盘（码盘），带有若干个透明和不透明的窗口，用光电接收器收集断续的光束，这样,就把光脉冲转换成了电脉冲，然后由电子输出线路进行处理并输出。

本次设计用的是增量式编码器，它是直接利用光电转换原理输出三组方波脉冲A、B和Z相，A、B两组脉冲相位差90度，从而可方便地判断出旋转方向，A相为脉冲检测的个数，B相和A相配合使用可检测出转动的方向，而Z相为

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每转一圈输出一个脉冲，该脉冲称为Z相零位脉冲，用于基准点定位。所以对于本次设计，只需用将A、B相与PLC的XO、X1输入端相接即可。它的工作原理是在一个码盘的边缘上开有相等角度的缝隙（分为透明和不透明部分），在开缝码盘两边分别安装光源及光敏元件。当码盘随工作轴一起转动时，每转过一个缝隙就产生一次光线的明暗变化,再经整形放大，可以得到一定幅值和功率的电脉冲输出信号，脉冲数就等于转过的缝隙数.将该脉冲信号送到计数器中去进行计数,从测得的数码数就能知道码盘转过的角度[3］。

2.3 台达可编程控制器

台达DVP系列PLC有ES、EP及EH三种主机机型，ES为一般泛用之主机，EP为功能提升型之主机,而EH则为高功能高速型主机，三者之间部分的软、硬功能规格方面有其个别定义,在机构上ES/EX归类相同,均是固定端子台形式(除DVP60ES00R/T除外)，而使用相同CPU的SS机种为超薄型小型控制器，最适合应用于因配电盘空间不足而要求内置元件需小型化的使用场合，EP及EH机种的体积比ES/EX更小巧化，但功能却比之强大许多，如果要求快速即时，EP及EH是绝佳的选择；在指令功能方面ES所提供的功能足以完成大部分的顺序控制目的,EP及EH更加强了在数值验算、复杂的PID控制及更便利的通讯机NC伺服定位等能力，所以DVP系列PLC可以完成几乎所有的自动控制.而EH系列PLC不但体积小而且速度快,功能也非常强大，丰富的模块广泛适用于各种行业的检测监控和自动控制以及定位控制等功能。完全能达到本次设计的要求，所以这次设计用的是DVP-40EH系列的PLC［8]. 2。3.1 DVP—40EH系列PLC的认识

台达DVP—40EHOOTS系列为高速精密定位主机;主机点数：40；最大I/O点数：512点；程序容量：16KSteps；指令执行速度：0.24”S(基本指令）;通讯端口：内置RS－232与RS－485，兼容MODBUSASCII/RTU通讯协议；数据存储器：10000字符；档案存储器：10000字符；高速脉冲输出：20与32点数机种支持2点200kHz(YO，Y2)；40点数机种支持2组AB相200kHz脉冲输出（Y0，Y1）(Y2，Y3),与2点200kHz脉冲输出（Y4，Y6)；内置四组硬件高速计数器；

PLC对编码器的采集，编码器为增量型，其输出为A、B、Z三相,Z相为零脉冲检测线，主要用于电机转动圈数的计算，A相为脉冲检测的个数，B相和A相配合使用可检测出转动的方向，所以对于设计要求的异步电机的跟踪，只需用到A、B相将其接于PLC的XO、X1输入口。

伺服电机转速与方向控制，采用的是正逻辑的脉冲加方向控制，PLC输出口采用的是一组高速脉冲输出口CHO（X0、X1)，X0作为脉冲输入口，X1作为方向控制（低电平为正转，高电平为反转）。

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2。3。2 PLC的铭牌说明

每一个产品上都会有该产品的铭牌，它是向使用者提供该产品的主要性能指标,以便使用者更好的使用该产品。DVP-40EH系列PLC其机种型号在PLC的机体的左侧。如图12所示。

台达PLC产品型号输入电源规格输出点模组规格管制条码及序号程式版本

图 12 PLC铭牌说明

2。3。3 PLC的型号说明

一般的PLC都会分很多种不同的系列不同的型号供大家选择，每个系列可以有很多的型号，不同的型号会有不同的功能、不同的编程方法，只有了解了PLC的系列型号才能为下一步的编程做准备，才能更好的使用。具体型号说明如图13所示。

DVP系列名称点数（输入+输出）主机/扩充机区分E:主机H:扩充机机型区分H:高功能型主机M:输入点扩充机N:输出点扩充机P:输入/输出点扩充机R:继电器T:电晶体I:高速输出晶体N:无输出模组00：交流电源输入 HTRPE01：直流电源输入LTRPE11：直流电源输入HTRPE

图13 EH系列PLC的型号说明

2。3.4 DVP—40EH系列PLC面板介绍

DVP-40EH系列PLC外形有22个输入端14个输出端，一个开关,一个RS232串口,设计者可以直接通过串口下载程序。其中输入端的S/S表示为共享电源端，当与+24V相接是它是电流输入端，当与24VG相接时它是电流输出端，在输出端上的C0-C5是对应输出的公共端（两个输出公用一个公共端)，面板上的输入输出指示灯可以方便使用者直观的观察PLC的输入输出状态，还有一个扩充插槽可以同时再连接一个PLC，起扩展功能的作用，面板具体显示如图14所示，

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对应的介绍如表1所示。

图14 PLC外形图 表1 PLC外形介绍

1 2 3 4 5 POWER RUN ERROR BAT。LOW 6 7 8 35mmDIN铝轨 周边装置插槽盖 输入点配线端子台 功能扩充槽盖 LED状态指示灯 电源指示灯 运转中指示灯 异常指示灯 电池电力不足指示灯 输入点指示灯 扩充槽盖 4DIN铝轨固定扣 9 10 11 13 14 15 16 17 18 19 20 21 输出点配线端子 输出点指示灯 安装固定孔 扩充机连接线 类比按钮 电池置放室 RUN/STOP开关 RS232通讯端口 电池连线插座 功能扩充卡固定孔 功能扩充卡插槽 记忆卡插槽 2.3。5 PLC功能规格

DVP—40EH系列PLC主要有输入输出、步进继电器、辅助继电器、计时器、计数器、暂存器等功能，每种寄存器都有不同的功能，还有一些特殊寄存器我们可以在软件中查询到.了解这些功能对本次设计有很大的帮助。具体功能介绍如表2所示,功能使用需注意以下几个问题。

（1)非停电保持区域，不可变更。

(2）非停电保持区域，可使用参数设定变更成停电保持区域。 （3）停电保持区域，可使用参数设定变更成非停电保持区域. （4）停电保持固定区域,不可变更.

表2 PLC主机功能介绍

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项目 演算控制方式 输入/输出控制方式 外部输入(X） 外部输出（Y） 初始步进点 步进继电器 原点回归用 一般用 停电保持用 警报用 辅助继电器 一般用 停电保持用 特殊用 100ms一般用 计时器 100ms停电保持 10ms一般用 10ms停电保持 1ms停电保持 16位元上数 32位元上下数 32为元上下数停电保持用 计数器 32为元上下数停电保持1相1 32为元上下数停电保持1相2 32为元上下数停电保持2相2 一般用 资料暂存器 停电保持用 特殊用 间接指定用 档案暂存器 规格 备注 内存程式/往返式来回扫描方式，可单步执行 结束再生方式（执行END命令） X0～X377，256点 Y0～Y3177,256点 S0～S9，10点 S10～S19，10点 S20~S512，492点 S512～S5，384点 S6～S1023，128点 M0～M511,512点 M512～M999、M2000～M4095、2584点 M1000~M1999,1000点 T0～T199，200点 T250~T255，6点 T200~T239,40点 T240～T245，6点 T246~T249，4点 C96～C199，104点 C200～C215,16点 C216～C234,19点 合计256点 合计4096点 合计1024点 输入/输出刷新命令 8进制编码 8进制编码 C235~C242、C244，9点 合计250点 C246、C247、C249,3点 C251、C252、C254，3点 D0～D199,200点 D200～D999，D2000～D4999，3800点 D1000～D1999,1000点 E0～E3,F0~F3，8点 K0～K1599 合计1600点 合计5000点 2。3.6 WPLSOFT软件

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WPLSoft为台达电子—可编程序控制器DVP系列在WINDOWS操作系统环境下所使用的程序编程软件.WPLSoft除了一般PLC的功能（例如:剪切、粘贴、复制、注释等)外，还提供多种中/英文批注编辑及一些便利功能（例如:寄存器编辑、设定、文件读取、存盘等).这个软件的帮助功能非常强大,当我们在编程的情况下遇见陌生的命令或者是不知道特殊寄存器的用法时都可以在帮助中查找，具体安装要求如表3所示。

表3 WPLSOFT软件安装要求

项目 操作系统 CPU 内存 磁盘驱动器 显示器 鼠标 RS—232串口 适用PLC机种 系统要求 Windows 98/2000/NT/ME/XP/VISTA Pentium 100以上机种 128MB以上（建议使用256MB） 硬盘容量至少500MB以上空间 分辨率0x480,16色以上 一般用鼠标或Windows兼容的装置 至少需要一个RS-232端口可与PLC链接 台达DVP—PLC系列 3 伺服驱动器的调试

伺服驱动器的调试主要是使用伺服器专用软件ASDA—soft软件来调试的，此软件通过RS232串口线和伺服驱动器的CN3通讯端口通讯。可以在此软件中通过设置不同的参数来改变电机的不同模式、不同速度，进行调试。打开软件首先找到通讯设定,如图15所示。选择好自己所用的装置和端口，然后选择在线模式，选择好后点击开始自动检测，几秒后就会检测到驱动器的站号和传输率及协定,只需要按照检测的站号、传输率和协定在伺服驱动器上设置对应的参数（P3-xx通讯参数），最后写入伺服驱动器就行了。然后打开寸动控制和参数编辑器，伺服驱动器的参数分监控参数P0—xx、基本参数P1—xx、扩展参数P2—xx

通讯参数P3-xx和诊断参数P4—xx。通过改变不同的参数可以改变不同的模式，其中通讯参数是一定的,P3—00（站号）设置为1，P3—01（通讯传输率）设置为1，P3—02（通讯协议）设置为4，P3-05（通讯功能）设置为0。参数设置界面如图16所示。按要求设置完参数后，打开寸动控制面板如图17所示，面板上显示有数字输入口和数字输出口,这些功能都是通过驱动器参数设置的，具体设置及功能显示见附录一和附录二所示.在数位输入状态的相互配合下，完成不同的运动状态。当伺服驱动器为速度模式时把P0-02设置为6,为速度显示；当伺服

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驱动器为位置模式时将P0—02设置为1，为电机反馈旋转圈数。这样驱动器就会显示当前电机的运动状态。

图15 ASDA—Soft通讯设置

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图16 参数编辑器

图17 寸动控制器

3。1 空载的速度测试

在测试之前首先要了解各操作模式下DI与DO的功能.具体设置参照表. （1)主要是测试电机在速度模式下的运动状态,首先通过参数P1-01将驱 动器的控制模式设定为速度模式，更改后需要重新开机才会生效.切记要把P2-51设定为0.（伺服启动须由内部DI触发)

(2）速度控制模式下，所需设定数字输入DI如表4所示。

表4 数字输入DI表

数字输入 DI1 DI2 DI3 DI4 DI5 DI6 DI7 DI8 参数设定值 P2-10=101 P2—11=109 P2-12=114 P2-13=115 P2-14=102 P2—15=0 P2-16=0 P2-17=0 符号 SON TRQLM SPD0 SPD1 ARST Disabled Disabled Disabled 功能定义说明 伺服启动 扭矩 速度命令选择0 速度命令选择1 异常复位 此DI功能无效 此DI功能无效 此DI功能无效 CN1 Pin No DI1-=9 DI1—=10 DI1-=34 DI1-=8 DI1-=33 必须将逆向运转禁止极限(DI6）与正向运转极限（DI7）及紧急停止（DI8）的功能取消，否则伺服驱动器会出现报警,因此将参数P2-15～17设为

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0(Disabled）。速度命令选择可以根据SPD0、SPD1来选择，如表5所示。

表5 速度命令选择

速度命令编号 S1 S2 S3 S4 CN1的DI信号 SPD1 0 0 1 1 SPD0 0 1 0 1 外部模拟命令 内部寄存器参数 V—REF,GND之间 电压差 P1-09 P1—10 P1-11 ±10V 0～5000r/min 0~5001r/min 0～5002r/min 命令来源 内容 范围 0：表示开关状态为开路（OFF） 1：表示开关状态为导通(ON）

速度内部寄存器的命令设定,参数P1—09～11为内部速度指令，可以根据自己的需要进行速度设定.但是不能超过P1—55里的最大速度。这里设定参数P1—09为3000，P1—10为100，P1—11为—3000。

操作步骤:

（1） 使用者将数字输入DI1导通，伺服启动（Servo on）。

（2） 数字输入DI3（SPD0）与DI4（SPD1）速度命令开关开路，代表S1 命令,此时电机根据模拟电压命令运转。

（3） 只导通数字输入DI3(SPD0)，代表S2命令3000r/min被承认，此时 电机转速为3000r/min.

（4） 只导通数字输入DI4（SPD1）,代表S2命令100r/min被承认，此时 电机转速为100r/min。

（5） 同时导通数字输入DI3（SPD0）和DI4(SPD1），代表S4命令—

3000r/min

被承认，此时电机转速为-3000r/min。

（6） 可任意重复（3）,（4），(5)。

（7） 欲停止时,数字输入DI1开路即可(Servo OFF）。

3。2 空载的定位测试

首先将驱动器的控制模式设定为位置内部寄存器模式，即将P2—51设定为0（伺服启动须由内部DI触发)。然后将参数P1—01控制模式设定为1，即为位置内部寄存器模式，需重启才生效。而定位有分相对和绝对定位，他们是通过参数

［7］

P1-33来设置的(0：绝对式位置模式，1:相对式位置模式）.

位置内部寄存器模式下，所需试运转设定数字的DI设定如表6所示。

表6 数字输入DI

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数字输入 DI1 DI2 DI3 参数设定值 P2—10=101 P2—11=108 P2—12=111 符号 SON CTRG POS0 功能定义说明 伺服启动 内部命令触发 内部位置 命令选择0 内部位置 命令选择1 内部位置 命令选择3 此DI功能无效 此DI功能无效 此DI功能无效 CN1 Pin No DI1-=9 DI1-=10 DI1—=34 DI4 P2-13=112 POS1 DI1-=8 DI5 DI6 DI7 DI8 P2-14=113 P2-15=0 P2-16=0 P2—17=0 ARST Disabled Disabled Disabled DI1—=33 必须将逆向运转禁止极限（DI6）与正向运转极限（DI7）及紧急停止(DI8）的功能取消,否则伺服驱动器会出现报警,因此将参数P2-15~17设为0（Disabled）。

位置模式内部八组寄存器命令与POS0～POS2及其相关参数调整的关系如表7所示.通过这八组寄存器的相互配合可以得到八种位置命令，这些命令都是靠内部位置命令触发来启动电机的。

表7 位置命令选择

位置命令 POS2 0 POS1 0 POS0 0 CTRG ↑ 对应 参数 P1—15 P1-16 P1-17 P1-18 P1—19 P1—20 P1-21 P1—22 P1—23 P1-24 P1—25 P1-26 P1—27 P1-28 P1-29 15

移动速度 寄存器 P2—36（V1) P2-36（V2） 说明 圈数（±30000) 脉冲（±max cnt） 圈数（±30001） 脉冲（±max cnt） 圈数（±30002） 脉冲（±max cnt） 圈数（±30003） 脉冲（±max cnt） 圈数（±30004) 脉冲（±max cnt） 圈数（±30005) 脉冲（±max cnt） 圈数（±30006） 脉冲（±max cnt） 圈数（±30007） 内位置1 内位置2 0 0 1 ↑ 内位置3 0 1 0 ↑ P2-36（V3) P2—36（V4） P2—36（V5） P2—36（V6） P2-36（V7) P2—36内位置4 0 1 1 ↑ 内位置5 1 0 0 ↑ 内位置6 1 0 1 ↑ 内位置7 内位置8

1 1 1 1 0 1 ↑ ↑ 基于工控机的伺服控制系统的设计与实现

P1-30 （V8） 脉冲（±max cnt） 0:表示开关状态为开路（OFF） 1：表示开关状态为导通（ON）

使用者可以设定这八组命令寄存器值（P1-15～P1-30）,而且内部寄存器命令值得定义,可以命令设定为绝对位置指令，将参数P1-33内部位置指令控制模式设为0；若命令设定为相对位置指令，将参数P1—33内部位置指令控制模式设定为1,更改后须重新开机才生效。

使用者将数字输入DI1伺服启动导通，可以任意以不同的DI3(POS0）、DI4（POS1)、DI5（POS2）组合成不同的位置命令，然后将数字输入DI2命令触发 （CTRG）瞬间导通（触发信号)，电机就会以相应的内部位置命令对应的移动速度进行定位。

4 硬件平台的设计

本次设计主要用到计算机、台达伺服驱动器、台达伺服电机、台达可编程控制器四个硬件设备。主要设计方法是用计算机监控编码器反馈到伺服驱动器的信号,用台达可编程控制器作为控制器以发送脉冲的方式来控制伺服驱动器从而控制伺服电机，达到设计的要求。具体原理如图18所示.

计算机台达PLC伺服驱动器伺服电机编码器 图18 硬件原理图

4.1 计算机与PLC的通讯

主要是通过RS—232串口通讯，可以通过串口线给PLC进行程序的下载.通讯时需要设置传输方式、通讯端口、数据长度、奇偶校验位、波特率、特别注意通讯站好的设置。通讯站好就是PLC的地址，只有地址正确才能通讯成功。

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所以在通讯设置之前，必须用台达伺服驱动器专用软件ASDA-soft或者是通过程序的方式找到PLC的地址.具体设置如图19所示。

图19 PLC的通讯设置

4.2 PLC与伺服驱动器的通讯

4。2.1 PLC与伺服驱动器的配线

ASDA-AB系列与PLC连线包括回归原点、寸动、加减速时间设定、相对位置定位、绝对位置定位、监控脉冲数。本次毕业设计最终是要完成伺服电机的自动正反转、加减速和绝对定位，由PLC输出高速脉冲控制伺服驱动器达到定位.结合伺服驱动器的标准接线方式，最终确定PLC与伺服驱动器的接线如图20所示。

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AC220VTT伺服驱动器TAC220VTDVP-40EH PLCCYYY1Y0C0CN1COM+VDDPULLHIPULSE-COM-/SIGN-

图20驱动器与PLC的接线

4.2。2 伺服驱动器的参数设置

本次设计使用的是位置模式，参数的正确设置是做设计的前提，具体操作步骤是伺服驱动器上电后首先按MODE键进入设置界面，然后在按Shift键进行不同参数的切换,一直切换到自己需要设置的参数,按下SET键进入设定值界面，再按UP或DOWN键来调整设定值，设置完毕后再按下SET键，此时界面会显示END说明设置成功，显示其它标志则需要重新上电参数才生效，具体设置及说明如表7所示.

表7驱动器参数设置

参数 P0—02 P0-04 P1-01 P1—31 P1-32 P1-44 P1—45 P1-55 P2-15 P2-16 P2-17 P2-10 P2-51 P3—00 P3—01

设定值 6 6 1 0 1 10 1 3000 0 0 0 101 0 1 1 参数说明 驱动器状态显示 状态寄存器1 控制模式设定 电机机种设定 电机停止模式 电子齿轮比分子 电子齿轮比分母 最大速度 数字输入接脚DI6 数字输入接脚DI7 数字输入接脚DI8 数字输入接脚DI1 内部伺服启动 站号设定（地址） 通讯传输率 功能 电机转速显示 读取转速 Pt位置模式 ECMA系列电机 减速停止 分子为10 分母为1 最大速度为3000 关闭数字输入接脚DI6 关闭数字输入接脚DI7 关闭数字输入接脚DI8 伺服启动 伺服启动须有DI触发 驱动器地址为1 传输率为9600 18

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P3-02 P3—05 4 0 通讯协议 通讯功能 协议为8，E,1（Modbus，ASCII） 通讯口为RS232串口通讯 4。3 系统的建立

伺服驱动器标准接线有位置(Pt）模式、位置（Pr）模式、速度（S）模式、扭矩（T)模式.通过改变驱动器的参数可以使伺服电机在不同的模式下接受相应的命令,以完成精确的定速、定位。

位置控制模式一般是通过外部输入的脉冲的频率来确定转动速度的大小,通过脉冲的个数来确定转动的角度，也有些伺服可以通过通讯方式直接对速度和位移进行赋值.由于位置模式可以对速度和位置都有很严格的控制，所以本次设计用位置模式控制。位置模式标准接线如图21所示。图中主要显示伺服驱动器与伺服电机的电源端口接线、编码器与驱动器的接线、驱动器与计算机的接线以及驱动器与PLC的接线还有驱动器的内部接线。具体的CN1、CN2端口介绍见2.1.2节。

24V-24V+计算机3sx6059565554532221202sx伺服驱动器COM-DO1+DO1-DO2+DO2-COM-VDDPULLHIPULSE-SIGN-34Y0Y1C0RS232DVP-40EHPLC605958575652504241403736CN1CN25 PLC控制程序的设计

本次设计主要是达到自动正反转、加减速、相对定位的功能。正反转是通过Y0和Y1控制，通过控制Y0输出的脉冲来控制速度，Y1来控制方向.当Y1置1电机反转，反之正转.而加减速是通过计数器和定时器相配合实现的。把定时器的时间定位1ms,然后让速度从0开始每隔1ms增加一个固定的值，这样在配合计数器，让它加（减）到一定的次数这样就可以实现加减速了.自动正反转是通过定时器实现的.相对定位是通过DDRVI命令实现的，也是通过发送脉冲实现的，

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COM1UVW注：2SX：中间层端子排3SX：顶层端子排M伺服电机G

图 21 系统接线

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直接用正脉冲和反脉冲来控制方向。

5。1 应用指令的功能简介

通过对台达PLC指令的学习对设计者的编程有一定的帮助，下面介绍本次设计中用到的指令［9］。

（1）除法指令

DDIV （2）乘法指令

DMUL （3）比较指令

DCMP （4)加法指令

DADD （5)减法指令

DSUB （6)脉冲输出

PLSY 晶体管输出）

(7）计数器

DCNT 指令说明：

 DCNT为32位计数器C200至C255的激活指令

 一般用加减算计数器C200~C234，当DCNT指令由Off到On时,计数器 的现在值将根据特M1200～1234的设置模式，执行上数（加一）的动作或下数（减一）的动作.

 当DCNT指令Off时该计数器停止计数，但原有计数值不会被清除，可 使用指令RSTC2xx清除计数值及其接点，高速加减计数器C235～C255可使用外部指定输入点清除计数值及其接点。

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S1 S2 D S1:浮点数被除数 S2：浮点数除数 D：运算结果（商）

S1 S2 D S1：浮点数被乘数 S2:浮点数乘数 D：运算结果（积)

S1 S2 D S1：比较值1 S2：比较值2 D:比较结果

S1 S2 D S1：浮点数被加数 S2:浮点数加数 D：运算结果（和)

S1 S2 D S1：浮点数被减数 S2：浮点数减数 D：运算结果(差）

S1 S2 D S1：脉冲输出频率 S2:脉冲输出数目 D:脉冲输出装置(请使用输出模块为

S1 S2 S1:32位计数器编号 S2：计数器设置值

基于工控机的伺服控制系统的设计与实现

（8）定时器

TMR （9）移动指令

TMR （10）相对定位

DRVI S1 S2 D1 D2 S1：脉冲输出数目 S2：脉冲输出频率

D1：脉冲输出装置（请使用输出模块为晶体管输出） D2：旋转方向信号的输出装置

注：当S1为正脉冲时D2输出，当S1为负脉冲时D2不输出 （11）批次复位

ZRST 指令说明:

 指令执行时D1操作数编号到D2操作数编号的区域里清除.  当D1操作数编号>D2操作数编号时，只有D2指定操作数被清除。

D1 D2 D1:批次复位起始装置 D2:批次复位结束装置

S D S：数据来源 D：数据搬移目的地

S1 S2 S1：定时器编号 S2:定时器设定值

5。2 PLC元件说明

本次设计中用到的PLC软元件有辅助继电器M、存储器D、定时器T、计数器C、输出继电器Y和状态继电器S,具体说明如表8所示。

表8元件说明

PLC软元件 M1 M13 M14 M1000 D13 D24 D26 D33 D35 D38 D50

说明 启动开关 反转定位开关 正转定位开关 PLC运转标志 反转圈数输入 正转圈数输入 反转定位速度输入 反转时间输入 额定转速输入 正转时间输入 定位加减速设置 PLC软元件 D55 D58 S0 T0 T1 T2 T3 C210 C212 Y0 Y1 21

说明 反转速度输入 正转定位速度输入 限速开关 正转定时 反转定时 定时加减速 定时减速 加速次数 减速次数 脉冲信号输出 方向信号输出 基于工控机的伺服控制系统的设计与实现

5.3 加减速程序设计

加减速主要是实现电机的定时加减速，这样可以保护电机减小电机的冲击力，还可以进行加减速曲线控制,具体程序流程图如图22所示。

加减速程序是利用定时器和计数器来实现的。当程序运行时初速度D1在定时器T2的配合下每次隔一秒自动加10，一直加到计数器C210中存放的数。用这种方法来实现加速。寄存器D38里存放的是正转时间（ms）。当正转时间到达时，定时器T0常开触点就会闭合,当前速度就会在减计数器C212和定时器T3的配合下实现减速。这样就达到了加减速的目的。具体程序如图23所示。

启动电机减速运行电机开始加速10ms是否到达否10ms是否到达是否是D1=D1-10D1=D1+10否计数器C212是否计数完毕是否计数器C210是否计数完毕电机停止是电机匀速运行结束T0-T加-T减是否为0是否D1:初速度T加：加速时间T减：减速时间 图22加减速程序流程图

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图23 PLC加减速程序

5。4 正反转程序设计

电机的正反转无论是在工业上还是在军事、科技上的用处都是很大的.本次设计主要是有定时器的配合,让电机实现自动的正反转切换,从而实现自动化控制。可以运用在数控机床上进行自动加工零件。程序流程图如图24所示。

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启动电机正转正转定时器T0是否到达是否电机反转反转时间T1是否完成 是否电机停转退出 图24 正反转程序流程图

当减计数器C212计数到时,C212常开触点闭合，Y1就置1，电机就开始反转.定时器T1是定时自动反转,寄存器D33里存放的是反转时间，寄存器D55中存放的是反转的速度.当时间到时定时器T1常开触点就闭合复位Y1。PLC程序如图25所示。

图25 正反转程序

5.5 定位程序设计

伺服系统的定位功能是非常强大的，分相对定位和绝对定位，本次设计的定位程序主要是实现相对定位。定位功能的应用领域非常的广，特变是在军事上和

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定位程序流程图科技上，如雷达定位，导弹锁定等.具体程序流程图如图26所示.

启动判断正负脉冲正设定旋转圈数电机反转电机正转反设定加减速时间执行命令END

图26定位程序流程图

首先知道M1000特殊继电器的用法.M1000为RUN时On接点，即运转监视常开接点（A接点)，PLC于RUN的状态下，M1000保持为On。特殊寄存器D1220表示第一组输出Y0、Y1相位设定为Y0输出。清除信号标志M1346=On时，原点复归结束可输出对伺服驱动器的清除信号,清除讯号会持续约20ms，20ms后清除讯号会再复归为Off。特殊寄存器D1343是指加速第一段速与减速最后一段速之加减速时间设定。此加减速时间不可低于10ms,若低于10ms或高于10000ms，则将以10ms输出,出厂默认值为100ms。此条程序主要是设置定位时加减速时间，PLC程序如图27所示。

图27定位程序设置

此条程序主要是实现相对定位的。寄存器D13主要存的是正转圈数，因为本次设计设置的齿轮比是10:1所以要把D13里的数乘以1000转化为脉冲存放到寄存器D19中。寄存器D26中存放的是正转速度(r/s）,乘以1000是转化为脉冲再除以60是转化为min为单位。最终存到寄存器D66中.这样就可以实现定位了。同理反转定位只要在寄存器里输入负脉冲即可.最后复位继电器M10~M15，PLC程序如图28所示.

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图28定位程序

6 监控软件设计

力控在本次设计中主要起监控的作用.可以通过用力控来直接控制电机的运动状态并且还可以监控到电机的反馈信号［5]。

6。1 力控与台达PLC通讯设置

力控软件中的I/O设备中直接有台达PLC。只要点击I/O设备组态然后选择PLC，在子菜单中选择台达PLC（DVP系列）。然后双击进入设备配置界面。在配置界面上可以填写所用的设备的名字、超时时间、更新周期，还有可以选择通信方式等，具体设置如图29所示。在设备配置第三步中可以选择设计中用的设备和传输方式等，具体设置如图30所示。

图29 I/O设备配置

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图30设备的选型和传输方式

6。2 力控数据库的组态

数据库就是做监控画面时与PLC程序连接所用到的数据。力控数据库分31个区域，每个区域的点类型分为模拟I/O点、数字I/O点、累积点、控制点、运算点、组合点六大类。本次设计用的是区域0的模拟I/O点。具体数据库如表9所示。具体建立方法是：双击表格进入区域0的模拟I/O点对话框，建立点名（英文),然后单击数据连接对话框,选择设计要用的设备,单击增加按钮打开设备组点对话框，如图31所示。选择需要的区域类型，位偏移就是区域的地址.（如：M1的区域类型为M区,位偏移为1）

表9 数据库组态

个数 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 NAME(点名） m1 d38 d33 d55 d13 d24 m13 d50 m14 d60 d58 d26 d35 DESC(说明） 启动 反转时间 正传时间 反转速度 反转圈数 正转圈数 反转定位开关 定位加减速时间 正转定位 速度 正转定位速度 反转定位速度 额定速度 %IOLINK（I/O连接) PV=plc：M区 PV=plc:D区 PV=plc:D区 PV=plc:D区 PV=plc:D区 PV=plc:D区 PV=plc:M区 PV=plc:D区 PV=plc：M区 PV=plc：D区 PV=plc:D区 PV=plc：D区 PV=plc:D区

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图31设备组点对话框

6.3 力控监控画面的设计

监控画面主要是用来显示控制开关和相应的数据设置,也就是设计的控制面板，设计者可以根据自己的需要设置相应的参数，通过设置不同的参数来改变电机的运动状态，从而实现设计要求。监控画面主要是用图库里的元件和文字组成的.具体设计画面如图32所示.

图32监控画面

6.3.1 速度显示曲线

加减速自动正反转运动状态曲线如图33所示。曲线的主要目的是显示现在电机的运动状态，进行实时监控，观察电机是不是按照设计的要求工作,方便使用者及时的调整.

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图33速度曲线

6。3.2 定位监控画面

定位监控如图34所示。主要显示的是相对定位状态下电机旋转的反馈圈数。主要目的是显示电机的旋转圈数，从而与设置的圈数相比较，从而可以知道电机是不是按要求工作的，这样可以方便使用者的监控和操作。随时了解电机的运动状态。

图34 定位监控

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7 实验结果与分析

本次设计主要完成了伺服电机的自动正反转、加减速、准确定位设计。主要是通过用计算机组态软件来实时监控，台达PLC来控制伺服驱动器从而控制伺服电机，通过增量式编码器反馈检测信号,再由力控监控的办法实现的.

自动正反转是通过定时器来实现的，并且可以设定对应的正反转时间、正反转的速度。

加减速是通过定时器和计数器配合实现的。这样设计不仅可以改变额定速度还可以改变加减速时间。

定位是通过PLC中的DDRVI指令实现的，需要了解命令的用法。 组态监控是通过力控建立，关键是和PLC、驱动器的连接。首先要知道对相应的设备地址和通讯方式，然后在力控中找到与其对应的I/O设备.这样才能正确的连接，动画的连接主要是数据库的建立。

在设计中遇见问题、分析问题、解决问题这样一步一步的研究学习，最后实现了设计要求。

注：驱动器参数的正确设置、驱动器与PLC的正确接线、力控与PLC的正确连接都是本次设计的重点、难点。

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结束语

通过对伺服驱动器、台达PLC、力控组态软件的学习成功的进行了硬件的搭建、编程和监控。

本次设计主要是研究工控机的伺服控制系统.通过力控软件监控、台达PLC来控制、增量式编码器来反馈的办法实现了设计要求。

在此期间学习了伺服驱动器技术手册、台达PLC编程手册、力控组态等许多新的知识。同时也发现了许多新的问题.

首先是学习了驱动器的参数设置，本次设计用到的位置模式、状态显示、通讯模式、最大速度、电子齿轮比、站号设置等，都是通过驱动器里的参数设置实现的。（注：有些参数设置需要把驱动器重新上电才生效 如：P1—01)

然后学会了台达PLC的编程，通过编程了解了PLC中许多指令的用法，对编程这个概念有了更直观系统的了解.学会了基本的编程方法.

最后通过对力控组态的学习，建立了监控画面，成功的实现了监控。知道组态软件是怎么和台达伺服驱动器、台达PLC连接的。了解了工控机监控的真实意义。

通过本次设计,不仅学到了书本上的知识，也锻炼了动手操作能了。这种学习和实践结合的方法使我受益匪浅。本次设计的成功实现使我对自动化专业有了进一步的了解.对计算机控制技术也有了系统的学习.知道了一个完整的监控系统是怎么建立的。

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参考文献

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[6］ 龚运运等. 工业组态软件实用技术[M]。北京：清华大学出版社,2002.9:63— ［7］ ASDA-AB伺服驱动器应用技术手册2007.3 ［8] DVP PLC应用技术手册【硬件篇】 2007。3 ［9] DVP PLC应用技术手册【程序篇】 2007.3

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［11]Y.Dote，Servo Motor and Motion Control Using Digital Signal Processors, Prentice Hall and Texas Instruments Digital Signal Processing Series, 1990

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附录一：数字输入（DI）功能定义表

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注意：

（1)11～17单一控制模式，18～20混合控制模式 （2）P2—10～P2-17设为0时表输入功能解除。

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附录二：数字输出（DO）功能定义表

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附录三：程序

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致谢

首先，我要感谢我的父母，谢谢他们一直以来对我默默的支持，无论在物质上还是精神上，没有他们就没有我的今天。

同时非常感谢我的指导老师**老师，是他们给我提供了足够的设计空间，以及得天独厚的教学环境和仪器设备。

还要感谢的还有一起做毕业设计的＊*同学，在我遇到困难的时候，他都不惜自己宝贵的时间来帮助我、指导我，给我排忧解难。让我有信心完成毕业设计。我非常的感谢他们。

短短十三周的毕业设计即将结束，真的很快，但是回想起来，却让我激动不己。一路走来，酸甜苦辣,没有一件事情是很容易就办成功的，粗心使我走了很多的弯路,但同时也使自己懂得了很多道理。现在自己想想困难也是一种财富,它让我学会去挑战，学会拥有战胜困难的勇气。

这次的毕业设计能的结束，除了要再次感谢我的指导老师和同学外，还要感谢和我一起度过这十三周时间的所有同学们以及自动化教研室的所有老师，是他们的指导和帮助才使我顺利的完成了设计。

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