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(zhǔn)確地實(shí)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(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(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。

關(guān)鍵詞：PLC，伺服；控制系統(tǒng)；

中途分類號：TP9文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B

0引言

由于現(xiàn)代微電子技術(shù)的不斷進(jìn)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(jì)算機(jī)及大規(guī)模集成電路的發(fā)展，使得交流電動機(jī)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(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。可以預(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。

20世紀(jì)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(jī)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(dāng)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(jī)。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(jī)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(jī)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(yàn)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(jī)本身應(yīng)具有足夠的穩(wěn)定性和可調(diào)性。

圖1伺服機(jī)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(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。

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(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(jī)頻率和極數(shù)均可改變電機(jī)的轉(zhuǎn)速。因此改變電動機(jī)頻率就可以實(shí)現(xiàn)調(diào)速運(yùn)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(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。

改變定子電源頻率可以改變同步轉(zhuǎn)速和電機(jī)的轉(zhuǎn)速。又由電動機(jī)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(jī)在設(shè)計(jì)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(jī)總線型調(diào)速控制系統(tǒng)電路如圖3所示：

圖3伺服電機(jī)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(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)。

4軟件設(shè)計(jì)

編程設(shè)計(jì)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(shí)現(xiàn)模擬量到數(shù)字量的轉(zhuǎn)換，這是為了方便PLC計(jì)算，因?yàn)镻LC在運(yùn)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(yùn)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(jìn)行運(yùn)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(yùn)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(yùn)行情況和數(shù)據(jù)的改變等。

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。但要注意伺服控制器和電機(jī)的散熱和電磁干擾問題。在電機(jī)開始啟動時，可能對伺服控制器造成干擾。電機(jī)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(jī)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(jī)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(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。