基于西门子控制器的伺服控制系统设计

0 引言

由于现代微电子技术的不断进步以及电力电子电路良好的控制特性，使几乎所有新的控制理论，控制方法都得以在交流调速装置上应用和尝试。现代控制理论不断向交流调速领域渗透，特别是微型计算机及大规模集成电路的发展，使得交流电动机调速技术正向高频化、数字化和智能化方向发展。

近年来电力电子装置的控制技术研究十分活跃，各种现代控制理论，如自适应控制和滑模变结构控制，以及智能控制和高动态性能控制都是研究的热点。这些研究必将把交流调速技术发展到一个新的水平。控制系统的软化对CPU芯片提出了更高的要求，为了实现高性能的交流调速，要进行矢量的坐标变换，磁通矢量的在线计算和适应参数变化而修正磁通模型，以及内部的加速度、速度、位置的重叠外环控制的在线实时调节等，都需要存储多种数据和快速实时处理大量信息。可以预见，随着计算机芯片容量的增加和运算速度的加快，交流调速系统的性能将得到很大的提高。

20世纪80年代以来，随着集成电路、电力电子技术和交流可变速驱动技术的发展，永磁交流伺服驱动技术有了突出的发展，各国著名电气厂商相继推出各自的交流伺服电动机和伺服驱动器系列产品并不断完善和更新。交流伺服系统已成为当代高性能伺服系统的主要发展方向，使原来的直流伺服面临被淘汰的危机。90年代以后，世界各国已经商品化了的交流伺服系统是采用全数字控制的正弦波电动机伺服驱动。交流伺服驱动装置在传动领域的发展日新月异。目前制约基于PLC的控制伺服系统在工业应用上的主要问题，主要包括以下几个方面：支持PLC控制伺服系统的智能设备造成初期投资的提高；系统结构如何变化，如何构筑一个基于PLC伺服的控制系统；通讯是否可靠；设备选型的局限性等对于用户的这些疑问等。

1控制系统基本结构

伺服调速系统的主要组成部分如图1所示。其中伺服电机是受控对象和传动装置。伺服驱动器将具有一定电压、电流和频率的电源能量变换为具有可调电压、可调电流或可调频率电源能量，起电能变换和控制作用，以检验和变换反馈信号。在伺服调速系统中主要反馈量有电压、电流、转速、转矩、磁通和转子位置角等。控制层根据给定信号和反馈信号产生所需要的控制指令和偏差信号。调节装置用于按照一定规律控制变流装置能量的流动，通过硬件或软件产生满足控制要求的算法或校正量，以提高或校正系统的静态性能。在要求不很高的场合，没有反馈装置而采用开环控制，但前提是电机本身应具有足够的稳定性和可调性。

                                   图1 伺服机调速系统的基本结构图

2伺服驱动器

2.1伺服驱动器

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，主要应用于高精度的定位系统。一般是通过位置、速度和力矩三种方式对伺服马达进行控制，实现高精度的传动系统定位，目前是传动技术的高端产品。

2.2伺服控制系统调速控制系统及其原理

伺服电机调速系统由伺服驱动器、电动机及其控制系统构成。伺服调速系统通过改变异步电动机定子的供电源频率，从而改变电动机同步转速，其调速特性基本上保持了伺服电动机固有的机械特性硬度高、转差率小的特点，同时具有效率高、调速范围宽、精度高、调速平滑等优点。伺服调速工作原理图如图2所示。

               （a）伺服驱动器工作原理图          （b）伺服调速工作原理框图

                                    图2伺服调速工作原理图

由公式可知，改变电机频率和极数均可改变电机的转速。因此改变电动机频率就可以实现调速运转。

伺服驱动系统主要设备是提供变频电源的伺服驱动，伺服驱动器可分成交-直-驱动器和-交变频器两大类，目前国内大都使用交-直-交驱动器。其特点是效率高，调速过程中没有附加损耗；应用范围广；调速范围大，精度高。

改变定子电源频率可以改变同步转速和电机的转速。又由电动机的电势公式可知外加电压近似与频率和磁通的乘积成正比，即

由上式可知，若外加电压不变，则磁通随频率改变而改变。一般电机在设计中为了充分利用铁心材料都把磁通Ф的数值选在接近磁饱和的数值上，因此，如果频率从额定值往下降低，磁通会增加，将造成磁路过饱和，励磁电流增加，铁心过热，这是不允许的。为此我们要在降频的同时还要降压，这就要求频率与电压能协调控制。

3系统分析

电动机总线型调速控制系统电路如图3所示：

                                    图3伺服电机调速控制系统电路

控制电路分析：PLC为本系统总控制器，本系统用到的PLC通过特制电缆连接伺服驱动器；驱动器再接伺服电机；伺服电机通过伺服驱动器给PLC一个反馈信号，这个反馈信号接PLC的模拟量输入端。这样便于控制更加精准和快速。由用户程序控制PLC的动作，PLC的动作引起欺负驱动器的反应，从而达到控制电机转速的目的。编码器接24V直流电源。伺服驱动器接220V交流电。工业控制计算机通过PPI电缆连接PLC，用户可以通过组态软件观察控制系统工作情况。从而实现远程控制电机调速系统。

4软件设计

编程设计时，依据PLC是以循环扫描方式按顺序执行程序的基本原理，按照动作的先后顺序，从上到下逐行绘制梯形图，它比由继电器控制电路改画成的梯形图程序往往更加清楚，更容易懂。

子程序SBR_0部分截图，如图4：

                                                图4SBR_0部分程序

程序分析：

DB1为程序主数据块，存放系统程序执行过程中的主要数据，在符号定义表中用户自己定义系统的主要数据名称和存储地址；SBR_0是自己编写的程序块，其主要功能为：SBR_0实现模拟量到数字量的转换，这是为了方便PLC计算，因为PLC在运算时只能处理数字量；为了便于利用组态软件观察。系统上电运行时，程序顺序扫描，在扫描到SBR_0时，先调用子程序SBR_0，将输入的模拟量转换为数字量，送入PLC进行运算。其数据存储到主数据块DB1。然后经过一些变频器控制命令和数据传输指令，最后调用子程序FC2，将PLC的运算结果转换为模拟量输出，同样将数据存储在符号定义表中，便于用户通过自己绘制的组态软件观察系统的运行情况和数据的改变等。

5结论

伺服电机、PLC、接触器等可安装在一台控制柜内,可就地或远程操作，其操作方式简单灵活。但要注意伺服控制器和电机的散热和电磁干扰问题。在电机开始启动时，可能对伺服控制器造成干扰。电机在调速供电方式下切换时须注意各接触器闭合和断开顺序,接触器应该有足够的延时以防止电机绕组产生的感应电动势加载到伺服驱动器的输出逆变桥上造成电机的损坏。西门子PLC具有功能齐全、模块化编程、简单可靠等优点，而且其组态画面调试方便，利于现场操作人员调试。