摘要：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，在自動控制理論的基礎下組成了電氣傳動自動控制系統(tǒng)。通過利用西門子300 PLC的數字量、模擬量輸出控制和伺服控制器完成了對伺服電機轉速精準的控制。提高了系統(tǒng)控制的可靠性和精確度并且滿足工業(yè)生產的需要。

關鍵詞：PLC，伺服；控制系統(tǒng)；

中途分類號：TP 9 文獻標識碼：B

0 引言

從70年代后期到80年代初期，隨著微處理器技術、大功率高性能半導體功率器件技術和電機永磁材料制造工藝的發(fā)展及其性能價格比的日益提高，交流伺服技術——交流伺服電機和交流伺服控制系統(tǒng)逐漸成為主導產品。交流伺服驅動技術已經成為工業(yè)領域實現自動化的基礎技術之一，并將逐漸取代直流伺服系統(tǒng)。

當今科學的快速發(fā)展使得各學科之間已沒有嚴格的界線，它們相互影響，相互滲透，從發(fā)展的角度來看，把神經網絡、模糊控制、滑模變結構控制等現代控制理論用于伺服電機調速技術有著極其重要的意義和廣闊的前景，可以認為這將是伺服電機調速技術的發(fā)展方向之一。此外，控制領域的其他新技術如現場總線、自適應控制、遺傳算法等，也將引入到交流傳動領域，給伺服電機調速的控制技術帶來重大的影響。

S7-300，Wincc 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)自動化領域的應用的PLC和組態(tài)。伺服系統(tǒng)運用的行業(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)控設備和對象多而復雜、實時性要求高等特點。隨著現伺服技術和遠程控制日益成熟信息化要求的提高，基于現場總線的控制系統(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)的智能設備造成初期投資的提高；系統(tǒng)結構如何變化，如何構筑一個基于PLC伺服的控制系統(tǒng)；通訊是否可靠；設備選型的局限性等對于用戶的這些疑問等。

1交流伺服電動機的組成結構

伺服電機可使控制速度，位置精度非常準確，可以將電壓信號轉化為轉矩和轉速以驅動控制對象。伺服電機轉子轉速受輸入信號控制，并能快速反應，在自動控制系統(tǒng)中，用作執(zhí)行元件，且具有機電時間常數小、線性度高、始動電壓等特性，可把所收到的電信號轉換成電動機軸上的角位移或角速度輸出。分為直流和交流伺服電動機兩大類，其主要特點是，當信號電壓為零時無自轉現象，轉速隨著轉矩的增加而勻速下降。

交流伺服電動機的結構主要可分為兩大部分，即定子部分和轉子。其中定子的結構與旋轉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是一種兩相的交流電動機。

圖1 兩相繞組分布圖

轉子的結構常用的有鼠籠形轉子和非磁性杯形轉子。鼠籠形轉子交流伺服電動機的結構如圖2所示，它的轉子由轉軸、轉子鐵心和轉子繞組等組成。轉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。鐵心的每一槽中放有一根導條，所有導條兩端用兩個短路環(huán)連接，這就構成了轉子繞組

圖2 鼠籠型轉子交流伺服電機

圖3 轉子沖片

2 控制系統(tǒng)設計

2.1系統(tǒng)硬件設計

PLC控制器為系統(tǒng)主控制器；伺服驅動器通過自帶的通信模塊可以很方便地連接到PLC控制網絡上；使用S7-300的編程軟件step7設計梯形圖程序，并下載到PLC控制器中，實現遠程基于S7-300對伺服驅動器控制，進而實現對電機的調速。其中，計算機用于系統(tǒng)的組態(tài)、監(jiān)控和編程，PPI電纜負責PLC控制器與計算機之間的通信，而PLC控制器進行順序和傳動控制，通過伺服驅動器專用線將控制器命令傳達給伺服驅動器，同時接受伺服驅動器的狀態(tài)并實現實時反饋信息�？刂瞥绦驅⑺俣冉o定值命令信息以控制字的數據格式傳給PLC控制器，實現伺服驅動器的自動控制。圖4為伺服電機控制系統(tǒng)框圖

圖 4伺服電機控制系統(tǒng)框圖

2.2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動器；驅動器再接伺服電機；伺服電機通過伺服驅動器給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的動作引起欺負驅動器的反應，從而達到控制電機轉速的目的。編碼器接24V直流電源。伺服驅動器接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。從而實現遠程控制電機調速系統(tǒng)。

2.3系統(tǒng)組成

西門子S7-300系列PLC是模塊化結構設計，各單獨模塊之間可進行廣泛組合和擴展。其系統(tǒng)構成。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網的接口直接與編程器PG、操作員面板OP和其它S7 PLC相連。

●負載電源模塊（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工業(yè)需求自己選擇。

●信號模塊（SM）：用于數字量和模擬量輸入/輸出。

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

3系統(tǒng)仿真

在WINCC中速度輸入值設置一個對話框，可輸入4位數值，然后將此對話框中的數據屬性設置成對應PLC中的整形變量數據(如AIW0)。目的是當在對話框中輸人數值后，電機就能達到該數值相應速度 PLC輸出的模擬量是0～10V，對應的整形數據是0～32000；而伺服電機的輸入模擬量是0～l0V。對應的轉速是0-6500 RPM。由于這些數值都是理論上的，并且最終希望得到的還是輸入值對應上轉速即可。因此，模擬量作為中間環(huán)節(jié)僅做參考。需要重點考慮的還是輸入值、整形數據和實際轉速。經過直接實測，測試數據如表1所示

表1 直接實測數值表

由表1可看出，輸入值和實際轉速相差甚遠，而唯一的辦法是通過運算將輸入值轉換成能對應上實際轉速的整形數值。但是還要首先找到最高轉速和最低轉速對應的數值。通過實驗發(fā)現，對應關系如表2所示

表2 實測對應數值表

PLC的模擬量輸出和伺服電機轉速輸出都是線性的，可以根據表2的數據列出直線方程組，計算出輸入值和整形數值之間的關系。

5 結論

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)畫面調試方便，利于現場操作人員調試。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界面，在PC機上開發(fā)出友好界面，使工作人員可以實時監(jiān)控，同時可實現系統(tǒng)故障報警、打印報表。本文中的基于S7-300伺服電機調速系統(tǒng)正好充分利用了西門子PLC的這些特點。