摘要：本文通過對伺服控制系統(tǒng)的研究，以伺服電動機(jī)為控制對象，以控制器為核心，以電力電子功率變換裝置為執(zhí)行機(jī)構(gòu)，在自動控制理論的基礎(chǔ)下組成了電氣傳動自動控制系統(tǒng)。通過利用西門子300PLC的數(shù)字量、模擬量輸出控制和伺服控制器完成了對伺服電機(jī)轉(zhuǎn)速精準(zhǔn)的控制。提高了系統(tǒng)控制的可靠性和精確度并且滿足工業(yè)生產(chǎn)的需要。

1引言

    近年來電力電子裝置的控制技術(shù)研究十分活躍，各種現(xiàn)代控制理論，如自適應(yīng)控制和滑模變結(jié)構(gòu)控制，以及智能控制和高動態(tài)性能控制都是研究的熱點(diǎn)。這些研究必將把交流調(diào)速技術(shù)發(fā)展到一個新的水平。控制系統(tǒng)的軟化對CPU芯片提出了更高的要求，為了實(shí)現(xiàn)高性能的交流調(diào)速，要進(jìn)行矢量的坐標(biāo)變換，磁通矢量的在線計(jì)算和適應(yīng)參數(shù)變化而修正磁通模型，以及內(nèi)部的加速度、速度、位置的重疊外環(huán)控制的在線實(shí)時調(diào)節(jié)等，都需要存儲多種數(shù)據(jù)和快速實(shí)時處理大量信息?？梢灶A(yù)見，隨著計(jì)算機(jī)芯片容量的增加和運(yùn)算速度的加快，交流調(diào)速系統(tǒng)的性能將得到很大的提高。交流伺服技術(shù)——交流伺服電機(jī)和交流伺服控制系統(tǒng)逐漸成為主導(dǎo)產(chǎn)品。交流伺服驅(qū)動技術(shù)已經(jīng)成為工業(yè)領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)自動化的基礎(chǔ)技術(shù)之一，并將逐漸取代直流伺服系統(tǒng)。

    當(dāng)今科學(xué)的快速發(fā)展使得各學(xué)科之間已沒有嚴(yán)格的界線，它們相互影響，相互滲透，從發(fā)展的角度來看，把神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、模糊控制、滑模變結(jié)構(gòu)控制等現(xiàn)代控制理論用于伺服電機(jī)調(diào)速技術(shù)有著極其重要的意義和廣闊的前景，可以認(rèn)為這將是伺服電機(jī)調(diào)速技術(shù)的發(fā)展方向之一。此外，控制領(lǐng)域的其他新技術(shù)如現(xiàn)場總線、自適應(yīng)控制、遺傳算法等，也將引入到交流傳動領(lǐng)域，給伺服電機(jī)調(diào)速的控制技術(shù)帶來重大的影響。

    西門子PLC是由國際知名的自動化公司研發(fā)的，完全是為了滿足工業(yè)自動化領(lǐng)域的應(yīng)用的PLC和組態(tài)。伺服系統(tǒng)運(yùn)用的行業(yè)是一個自動化程度非常高的行業(yè)，這些系統(tǒng)都存在可靠性要求高、監(jiān)控設(shè)備和對象多而復(fù)雜、實(shí)時性要求高等特點(diǎn)。隨著現(xiàn)伺服技術(shù)和遠(yuǎn)程控制日益成熟信息化要求的提高，基于現(xiàn)場總線的控制系統(tǒng)將為電力行業(yè)自動化系統(tǒng)提供更好的選擇。目前制約基于PLC的控制伺服系統(tǒng)在工業(yè)應(yīng)用上的主要問題，主要包括以下幾個方面：支持PLC控制伺服系統(tǒng)的智能設(shè)備造成初期投資的提高；系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如何變化，如何構(gòu)筑一個基于PLC伺服的控制系統(tǒng)；通訊是否可靠；設(shè)備選型的局限性等對于用戶的這些疑問等。

2交流伺服的組成及驅(qū)動器

2.1交流伺服電機(jī)的組成

    伺服電機(jī)可使控制速度，位置精度非常準(zhǔn)確，可以將電壓信號轉(zhuǎn)化為轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速以驅(qū)動控制對象。伺服電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速受輸入信號控制，并能快速反應(yīng)，在自動控制系統(tǒng)中，用作執(zhí)行元件，且具有機(jī)電時間常數(shù)小、線性度高、始動電壓等特性，可把所收到的電信號轉(zhuǎn)換成電動機(jī)軸上的角位移或角速度輸出。分為直流和交流伺服電動機(jī)兩大類，其主要特點(diǎn)是，當(dāng)信號電壓為零時無自轉(zhuǎn)現(xiàn)象，轉(zhuǎn)速隨著轉(zhuǎn)矩的增加而勻速下降。

    交流伺服電動機(jī)的結(jié)構(gòu)主要可分為兩大部分，即定子部分和轉(zhuǎn)子。其中定子的結(jié)構(gòu)與旋轉(zhuǎn)變壓器的定子基本相同，在定子鐵心中也安放著空間互成90°電角度的兩相繞組，如圖1所示。其中L1-L2稱為勵磁繞組，k1-k2稱為控制繞組，所以交流伺服電動機(jī)是一種兩相的交流電動機(jī)。

    轉(zhuǎn)子的結(jié)構(gòu)常用的有鼠籠形轉(zhuǎn)子和非磁性杯形轉(zhuǎn)子。鼠籠形轉(zhuǎn)子交流伺服電動機(jī)的結(jié)構(gòu)如圖2所示，它的轉(zhuǎn)子由轉(zhuǎn)軸、轉(zhuǎn)子鐵心和轉(zhuǎn)子繞組等組成。轉(zhuǎn)子鐵心是由硅鋼片疊成的，每片沖成有齒有槽的形狀，如圖3所示，然后疊壓起來將軸壓入軸孔內(nèi)。鐵心的每一槽中放有一根導(dǎo)條，所有導(dǎo)條兩端用兩個短路環(huán)連接，這就構(gòu)成了轉(zhuǎn)子繞組。

2.2伺服驅(qū)動器

    控制伺服電機(jī)的一種控制器，其作用類似于變頻器作用于普通交流馬達(dá)，屬于伺服系統(tǒng)的一部分，主要應(yīng)用于高精度的定位系統(tǒng)。一般是通過位置、速度和力矩三種方式對伺服馬達(dá)進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)高精度的傳動系統(tǒng)定位，目前是傳動技術(shù)的高端產(chǎn)品。

    伺服電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)由伺服驅(qū)動器、電動機(jī)及其控制系統(tǒng)構(gòu)成。伺服調(diào)速系統(tǒng)通過改變異步電動機(jī)定子的供電源頻率，從而改變電動機(jī)同步轉(zhuǎn)速，其調(diào)速特性基本上保持了伺服電動機(jī)固有的機(jī)械特性硬度高、轉(zhuǎn)差率小的特點(diǎn)，同時具有效率高、調(diào)速范圍寬、精度高、調(diào)速平滑等優(yōu)點(diǎn)。

    伺服驅(qū)動系統(tǒng)主要設(shè)備是提供變頻電源的伺服驅(qū)動，伺服驅(qū)動器可分成交-直-驅(qū)動器和-交變頻器兩大類，目前國內(nèi)大都使用交-直-交驅(qū)動器。其特點(diǎn)是效率高，調(diào)速過程中沒有附加損耗；應(yīng)用范圍廣；調(diào)速范圍大，精度高。

3控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

    PLC控制器為系統(tǒng)主控制器；伺服驅(qū)動器通過自帶的通信模塊可以很方便地連接到PLC控制網(wǎng)絡(luò)上；使用S7-300的編程軟件step7設(shè)計(jì)梯形圖程序，并下載到PLC控制器中，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程基于S7-300對伺服驅(qū)動器控制，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對電機(jī)的調(diào)速。其中，計(jì)算機(jī)用于系統(tǒng)的組態(tài)、監(jiān)控和編程，PPI電纜負(fù)責(zé)PLC控制器與計(jì)算機(jī)之間的通信，而PLC控制器進(jìn)行順序和傳動控制，通過伺服驅(qū)動器專用線將控制器命令傳達(dá)給伺服驅(qū)動器，同時接受伺服驅(qū)動器的狀態(tài)并實(shí)現(xiàn)實(shí)時反饋信息?？刂瞥绦?qū)⑺俣冉o定值命令信息以控制字的數(shù)據(jù)格式傳給PLC控制器，實(shí)現(xiàn)伺服驅(qū)動器的自動控制。圖4為伺服電機(jī)控制系統(tǒng)框圖。

3.2控制電路

    PLC為本系統(tǒng)總控制器，本系統(tǒng)用到的PLC通過特制電纜連接伺服驅(qū)動器；驅(qū)動器再接伺服電機(jī)；伺服電機(jī)通過伺服驅(qū)動器給PLC一個反饋信號，這個反饋信號接PLC的模擬量輸入端。這樣便于控制更加精準(zhǔn)和快速。由用戶程序控制PLC的動作，PLC的動作引起欺負(fù)驅(qū)動器的反應(yīng)，從而達(dá)到控制電機(jī)轉(zhuǎn)速的目的。編碼器接24V直流電源。伺服驅(qū)動器接220V交流電。工業(yè)控制計(jì)算機(jī)通過PPI電纜連接PLC，用戶可以通過組態(tài)軟件觀察控制系統(tǒng)工作情況。從而實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)。

3.3系統(tǒng)組成

    西門子S7-300系列PLC是模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，各單獨(dú)模塊之間可進(jìn)行廣泛組合和擴(kuò)展。其系統(tǒng)構(gòu)成。電源模塊（PS）、中央處理單元模塊（CPU）、信號模塊（SM）、功能模塊（FM）等。它通過PPI網(wǎng)的接口直接與編程器PG、操作員面板OP和其它S7PLC相連。

    負(fù)載電源模塊（PS）：用于將西門子S7—300連接到120/230v交流電源，或24/48/60/110V直流電源。

    中央處理單元CPU：各種CPU有不同的性能一般根據(jù)工業(yè)需求自己選擇。

    信號模塊（SM）：用于數(shù)字量和模擬量輸入/輸出。

    功能模塊（FM）：用于高速計(jì)算，定位操作（開環(huán)和閉環(huán)定位）和閉環(huán)控制。

4系統(tǒng)仿真

    在WINCC中速度輸入值設(shè)置一個對話框，可輸入4位數(shù)值，然后將此對話框中的數(shù)據(jù)屬性設(shè)置成對應(yīng)PLC中的整形變量數(shù)據(jù)(如AIW0)。目的是當(dāng)在對話框中輸人數(shù)值后，電機(jī)就能達(dá)到該數(shù)值相應(yīng)速度PLC輸出的模擬量是0～10V，對應(yīng)的整形數(shù)據(jù)是0～32000；而伺服電機(jī)的輸入模擬量是0～l0V。對應(yīng)的轉(zhuǎn)速是0-6500RPM。由于這些數(shù)值都是理論上的，并且最終希望得到的還是輸入值對應(yīng)上轉(zhuǎn)速即可。因此，模擬量作為中間環(huán)節(jié)僅做參考。需要重點(diǎn)考慮的還是輸入值、整形數(shù)據(jù)和實(shí)際轉(zhuǎn)速。經(jīng)過直接實(shí)測，測試數(shù)據(jù)如表1所示。

    由表1可看出，輸入值和實(shí)際轉(zhuǎn)速相差甚遠(yuǎn)，而唯一的辦法是通過運(yùn)算將輸入值轉(zhuǎn)換成能對應(yīng)上實(shí)際轉(zhuǎn)速的整形數(shù)值。但是還要首先找到最高轉(zhuǎn)速和最低轉(zhuǎn)速對應(yīng)的數(shù)值。通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，對應(yīng)關(guān)系如表2所示。

    PLC的模擬量輸出和伺服電機(jī)轉(zhuǎn)速輸出都是線性的，可以根據(jù)表2的數(shù)據(jù)列出直線方程組，計(jì)算出輸入值和整形數(shù)值之間的關(guān)系。

5結(jié)論

    伺服電機(jī)、PLC、接觸器等可安裝在一臺控制柜內(nèi),可就地或遠(yuǎn)程操作，其操作方式簡單靈活。西門子PLC具有功能齊全、模塊化編程、簡單可靠等優(yōu)點(diǎn)，而且其組態(tài)畫面調(diào)試方便，利于現(xiàn)場操作人員調(diào)試。組態(tài)軟件作為用戶可定制功能的軟件平臺工具，利用其良好的通信能力和人機(jī)界面，在PC機(jī)上開發(fā)出友好界面，使工作人員可以實(shí)時監(jiān)控，同時可實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)故障報(bào)警、打印報(bào)表。本文中的基于S7-300伺服電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)正好充分利用了西門子PLC的這些特點(diǎn)。