摘要：隨著自動化水平的不斷提高，越來越多的工業(yè)控制場合需要精確的位置控制。因此，如何更方便、更準確地實現(xiàn)位置控制是工業(yè)控制領(lǐng)域內(nèi)的一個重要問題。本文通過對伺服控制系統(tǒng)的研究，以伺服電動機為控制對象，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200PLC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轉(zhuǎn)速精準的控制。提高了系統(tǒng)控制的可靠性和精確度。

關(guān)鍵詞：PLC，伺服；控制系統(tǒng)；

中途分類號：TP9文獻標識碼：B

0引言

由于現(xiàn)代微電子技術(shù)的不斷進步以及電力電子電路良好的控制特性，使幾乎所有新的控制理論，控制方法都得以在交流調(diào)速裝置上應(yīng)用和嘗試。現(xiàn)代控制理論不斷向交流調(diào)速領(lǐng)域滲透，特別是微型計算機及大規(guī)模集成電路的發(fā)展，使得交流電動機調(diào)速技術(shù)正向高頻化、數(shù)字化和智能化方向發(fā)展。

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。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，為了實現(xiàn)高性能的交流調(diào)速，要進行矢量的坐標變換，磁通矢量的在線計算和適應(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)控制的在線實時調(diào)節(jié)等，都需要存儲多種數(shù)據(jù)和快速實時處理大量信息?？梢灶A(yù)見，隨著計算機芯片容量的增加和運算速度的加快，交流調(diào)速系統(tǒng)的性能將得到很大的提高。

20世紀80年代以來，隨著集成電路、電力電子技術(shù)和交流可變速驅(qū)動技術(shù)的發(fā)展，永磁交流伺服驅(qū)動技術(shù)有了突出的發(fā)展，各國著名電氣廠商相繼推出各自的交流伺服電動機和伺服驅(qū)動器系列產(chǎn)品并不斷完善和更新。交流伺服系統(tǒng)已成為當代高性能伺服系統(tǒng)的主要發(fā)展方向，使原來的直流伺服面臨被淘汰的危機。90年代以后，世界各國已經(jīng)商品化了的交流伺服系統(tǒng)是采用全數(shù)字控制的正弦波電動機伺服驅(qū)動。交流伺服驅(qū)動裝置在傳動領(lǐng)域的發(fā)展日新月異。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。

1控制系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)

伺服調(diào)速系統(tǒng)的主要組成部分如圖1所示。其中伺服電機是受控對象和傳動裝置。伺服驅(qū)動器將具有一定電壓、電流和頻率的電源能量變換為具有可調(diào)電壓、可調(diào)電流或可調(diào)頻率電源能量，起電能變換和控制作用，以檢驗和變換反饋信號。在伺服調(diào)速系統(tǒng)中主要反饋量有電壓、電流、轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩、磁通和轉(zhuǎn)子位置角等。控制層根據(jù)給定信號和反饋信號產(chǎn)生所需要的控制指令和偏差信號。調(diào)節(jié)裝置用于按照一定規(guī)律控制變流裝置能量的流動，通過硬件或軟件產(chǎn)生滿足控制要求的算法或校正量，以提高或校正系統(tǒng)的靜態(tài)性能。在要求不很高的場合，沒有反饋裝置而采用開環(huán)控制，但前提是電機本身應(yīng)具有足夠的穩(wěn)定性和可調(diào)性。

圖1伺服機調(diào)速系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)圖

2伺服驅(qū)動器

2.1伺服驅(qū)動器

控制伺服電機的一種控制器，其作用類似于變頻器作用于普通交流馬達，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進行控制，實現(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。

2.2伺服控制系統(tǒng)調(diào)速控制系統(tǒng)及其原理

伺服電機調(diào)速系統(tǒng)由伺服驅(qū)動器、電動機及其控制系統(tǒng)構(gòu)成。伺服調(diào)速系統(tǒng)通過改變異步電動機定子的供電源頻率，從而改變電動機同步轉(zhuǎn)速，其調(diào)速特性基本上保持了伺服電動機固有的機械特性硬度高、轉(zhuǎn)差率小的特點，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。伺服調(diào)速工作原理圖如圖2所示。

（a）伺服驅(qū)動器工作原理圖                 （b）伺服調(diào)速工作原理框圖

圖2伺服調(diào)速工作原理圖

由公式可知，改變電機頻率和極數(shù)均可改變電機的轉(zhuǎn)速。因此改變電動機頻率就可以實現(xiàn)調(diào)速運轉(zhuǎn)。

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。

改變定子電源頻率可以改變同步轉(zhuǎn)速和電機的轉(zhuǎn)速。又由電動機的電勢公式可知外加電壓近似與頻率和磁通的乘積成正比，即

由上式可知，若外加電壓不變，則磁通隨頻率改變而改變。一般電機在設(shè)計中為了充分利用鐵心材料都把磁通Ф的數(shù)值選在接近磁飽和的數(shù)值上，因此，如果頻率從額定值往下降低，磁通會增加，將造成磁路過飽和，勵磁電流增加，鐵心過熱，這是不允許的。為此我們要在降頻的同時還要降壓，這就要求頻率與電壓能協(xié)調(diào)控制。

3系統(tǒng)分析

電動機總線型調(diào)速控制系統(tǒng)電路如圖3所示：

圖3伺服電機調(diào)速控制系統(tǒng)電路

控制電路分析：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；伺服電機通過伺服驅(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和快速。由用戶程序控制PLC的動作，PLC的動作引起欺負驅(qū)動器的反應(yīng)，從而達到控制電機轉(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)控制計算機通過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。從而實現(xiàn)遠程控制電機調(diào)速系統(tǒng)。

4軟件設(shè)計

編程設(shè)計時，依據(jù)PLC是以循環(huán)掃描方式按順序執(zhí)行程序的基本原理，按照動作的先后順序，從上到下逐行繪制梯形圖，它比由繼電器控制電路改畫成的梯形圖程序往往更加清楚，更容易懂。

子程序SBR_0部分截圖，如圖4：

圖4SBR_0部分程序

程序分析：

DB1為程序主數(shù)據(jù)塊，存放系統(tǒng)程序執(zhí)行過程中的主要數(shù)據(jù)，在符號定義表中用戶自己定義系統(tǒng)的主要數(shù)據(jù)名稱和存儲地址；SBR_0是自己編寫的程序塊，其主要功能為：SBR_0實現(xiàn)模擬量到數(shù)字量的轉(zhuǎn)換，這是為了方便PLC計算，因為PLC在運算時只能處理數(shù)字量；為了便于利用組態(tài)軟件觀察。系統(tǒng)上電運行時，程序順序掃描，在掃描到SBR_0時，先調(diào)用子程序SBR_0，將輸入的模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，送入PLC進行運算。其數(shù)據(jù)存儲到主數(shù)據(jù)塊DB1。然后經(jīng)過一些變頻器控制命令和數(shù)據(jù)傳輸指令，最后調(diào)用子程序FC2，將PLC的運算結(jié)果轉(zhuǎn)換為模擬量輸出，同樣將數(shù)據(jù)存儲在符號定義表中，便于用戶通過自己繪制的組態(tài)軟件觀察系統(tǒng)的運行情況和數(shù)據(jù)的改變等。

5結(jié)論

伺服電機、PLC、接觸器等可安裝在一臺控制柜內(nèi),可就地或遠程操作，其操作方式簡單靈活。但要注意伺服控制器和電機的散熱和電磁干擾問題。在電機開始啟動時，可能對伺服控制器造成干擾。電機在調(diào)速供電方式下切換時須注意各接觸器閉合和斷開順序,接觸器應(yīng)該有足夠的延時以防止電機繞組產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢加載到伺服驅(qū)動器的輸出逆變橋上造成電機的損壞。西門子PLC具有功能齊全、模塊化編程、簡單可靠等優(yōu)點，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。