本文在分析SIMATIC S7-300中FM354伺服定位模塊特點及功能和方波永磁同步電動機工作原理的基礎上，通過對基于SIMATIC S7－300的交流伺服定位控制系統(tǒng)原理分析和具體應用，對系統(tǒng)機械參數(shù)的設定及優(yōu)化提出了相應的方法。調試結果說明，由FM354和方波永磁同步電動機所構成的伺服定位系統(tǒng)具有良好的動態(tài)特性和靜態(tài)特性。 1 前言 SIMATIC S7-300 PLC是德國西門子公司開發(fā)的PLC系統(tǒng)，系統(tǒng)采用模塊化設計，各種單獨模塊之間可進行廣泛組合和擴展。系統(tǒng)主要由下列幾部分構成：（1）中央處理單元（CPU）；（2）信號模塊（SM）；（3）通信處理器（CP）；（4）功能模塊（FM）。另外，還能根據具體用戶的要求，提供一些輔助設備。 由于永磁同步電動機具有電機能量轉換效率高、體積??；運行可靠性高、調速范圍廣； 系統(tǒng)動、靜特性好等優(yōu)點,世界各國紛紛對其進行研究。尤其從80年代以來，永磁材料特別是稀土永磁材料的迅猛發(fā)展，大大提高了永磁電機的效率、縮小了體積、降低了成本。據不完全統(tǒng)計，在500W以下的直流微特電機中，永磁電機占92％，這充分說明永磁電機的發(fā)展速度。與此同時，隨著自動控制技術的發(fā)展，特別是交流電動機矢量控制技術的提出，極大地促進了交流變頻調速技術的發(fā)展，電力電子技術的日新月異，這三個阻礙交流電機調速的關鍵技術都得到了突破，使得永磁同步電動機變頻調速控制器的研制和開發(fā)成為必然。目前，各國的電氣公司，如德國的SIEMENS、美國的通用電氣公司等都相續(xù)推出了各自的永磁同步伺服電動機和伺服驅動系統(tǒng)產品，并不斷采用新技術進行改進和更新，使永磁同步伺服系統(tǒng)性能更加優(yōu)異，價格更趨合理。永磁同步伺服系統(tǒng)已取代直流伺服系統(tǒng)成為主流。 FM354是一個專用伺服定位控制模塊，它是S7－300 PLC控制器中的一個子模塊， S7－300采用PROFIBUS現(xiàn)場總線與功能模塊FM354進行通信。FM354專用于IFT5系列方波永磁同步電動機所構成的伺服定位系統(tǒng)，可以實現(xiàn)從簡單的點到點定位控制到對響應、精度和速度極高的復雜移動控制。圖1是由FM354構成的伺服定位系統(tǒng)的原理結構圖 圖1 定位系統(tǒng)結構示意圖 2 FM354的特點及方波永磁同步電動機的工作原理 2.1 FM354伺服定位模塊具有如下功能 ①FM354是一種具有模擬量設定接口的微處理器控制定位模塊；②FM354是一種高性能的伺服控制定位模塊；③FM354模塊通過SIMATIC S7-300系統(tǒng)的用戶程序進行控制；④通過伺服控制或開環(huán)控制，F(xiàn)M354模塊能夠進行轉角和直線控制；⑤FM354具有多種工作模式；⑥FM354具有不易丟失數(shù)據的存儲初始化數(shù)據的存儲區(qū)；⑦FM354在不工作時，靜態(tài)功耗很?。虎喔鶕脩舻男枰?，通過對模塊的初始化，模塊可以適應用戶的要求。 2.2 通過FM354模塊能夠對下列存儲區(qū)的數(shù)據進行初始化 ①機器數(shù)據（MD）；②增量大小數(shù)據塊（SM）；③工具誤差數(shù)據（TO）：④用戶數(shù)據（user data blo－cks）。 這些數(shù)據存儲在數(shù)據塊內數(shù)字號1001到1239數(shù)字區(qū)內（不包括用戶數(shù)據）。MD,SM,TO數(shù)據塊傳輸?shù)紽M 354 模塊并存留FM 354內的存儲區(qū)內。如果相關的功能沒有使用到,SM參數(shù),TO參數(shù)可以不要。用戶數(shù)據塊必須存儲在CPU內,并且只能在線存儲.初始化數(shù)據（除用戶數(shù)據外）還能夠離線生成,編輯,保存到CPU內。 2.3 方波永磁同步電動機的工作原理 圖2 方波永磁同步電動機構成的伺服系統(tǒng) 圖2為一個典型的永磁同步電動機傳動控制系統(tǒng),它由永磁同步電動機、逆變器、位置傳感器和控制系統(tǒng)四部分組成、典型的控制系統(tǒng)包括有位置控制器、速度控制器和電流控制器。用于矩形波電流控制的位置傳感器通常沿電動機轉子表面兩個極距提供六個位置信號、互相錯開電角度，每個位置信號觸發(fā)逆變器中的一個功率晶體管，使之在電角度內導通，如圖3所示。 圖3 矩形波電流控制示意圖 圖3a中，位置信號和分別控制功率晶體管和的導通，即分別提供U相繞組的正、負電壓（電流）；和分別使和導通，從而分別提供V相繞組的正、負電壓（電流）；和分別控制和的導通,分別提供W相的電壓（電流）。在任一時刻，只有兩只晶體管（兩相）導通。例如，在之間，和導通，其空間合成矢量如圖3－3b中所示。在時，觸發(fā)功率晶體管導通，關斷，在之間，和導通，其空間合成矢量如圖中所示。從而電動機定子繞組在氣隙中形成了理想的以電角度跳躍的磁動勢矢量，如圖3b所示。這與由對稱的三相正弦波電壓供電的三相交流電機中的旋轉磁動勢有點類似。正是這個以跳躍形式旋轉的磁動勢帶動電動機轉子，使之與定子磁動勢以相同的轉速旋轉。從圖3a還可以看出，串聯(lián)兩相合成的定子磁動勢在轉子旋轉電角度期間是靜止的，而且滯后于正向導通的相磁動勢（電流，如果使觸發(fā)功率晶體管的位置信號位于U相軸線后產生，則功率角將在和之間變化，平均值為。 3 伺服定位系統(tǒng)的實現(xiàn) 3.1 控制電路的硬件組成 如圖1所示，電路硬件由下列幾部分組成：①FM354：具有一個模擬輸出信號，用來激勵驅動器的伺服定位控制模塊；②電源部分：電源供給模擬激勵信號并把合適的電功率傳輸給電動機；③ 電動機： 電動機由電源部分供給的電能激勵并帶動軸運動；④機械傳動部分：它包括軸、齒輪變速箱和離合器系統(tǒng)；⑤編碼器（安裝在IFT5電動機上）：編碼器測量軸的運動，并把測量的脈沖輸出給伺服定位控制模塊FM354。編碼器測量的脈沖數(shù)正比于轉軸轉動的距離；⑥外圍電路：除了上述部分以外的電路通稱外圍電路。它主要包括：限制定位范圍的限位開關（安全設備）；編程設備（PG）和“初始化FM354”初始化軟件。基于FM354的交流伺服定位系統(tǒng)控制器電路結構框圖如圖4所示。 圖4 伺服定位 系統(tǒng)控制電器電路構造圖 3.2 系統(tǒng)的軟件設計 通過對駐留在FM 354模塊內的數(shù)據存儲器DB數(shù)據塊進行設定，就完成了對伺服控制定位模塊FM 354的初始化編程。這其中對“機器數(shù)據”數(shù)據塊（DB－MD）的設定是最重要的，因為伺服控制定位模塊FM 354無論完成何功能，“機器數(shù)據”數(shù)據塊總是必須要的，而對于其它數(shù)據塊，只有當FM 354模塊需要時，才對該數(shù)據塊進行初始化設定。 FM354伺服定位系統(tǒng)中最重要的幾個初始化參數(shù)為：最大速度參數(shù)、加速度和減速度參數(shù)、位置環(huán)增益、平波時間常數(shù)。表1為機械參數(shù)設定與響應的關系。 對于FM354參數(shù)設定，還要通過各種效驗，看設定的參數(shù)是否合適，如果不合適，就加以調整。圖5為驅動器的激活和檢測框圖。 圖5 驅動器的激活和檢測框圖 從上面的過程可知，調試過程是很繁瑣的。圖6是設置為不同參數(shù)時的響應比較。 圖6 不同參數(shù)時伺服位置控制的響應比較 圖中橫坐標為時間，單位為毫秒，縱坐標為一相對量，沒有量綱。在調試過程中，要通過多次調試、修改才能得到滿意的參數(shù)，而這個參數(shù)也只能是對你所調試的系統(tǒng)可以稱為最優(yōu)，一旦所控制的系統(tǒng)發(fā)生一些改變，參數(shù)又要重新調整，而這個工作又是很繁瑣的，因此，我們可以對FM354進行重新編程. 圖7 電機在200轉/分時的相電流波形 （注：圖中的電流波形為在電路中串一個10歐姆的電阻測得的電阻兩端的電壓） 圖8 電機在1700轉/分時的相電流波形圖 （注：圖中的電流波形為在電路中串一個10歐姆的電阻測得的電阻兩端的電壓） 4 電機實驗運行結果 在實驗系統(tǒng)中，參數(shù)設定為：位置開環(huán)放大系數(shù)為1000系數(shù)倍；加速度和減速度為2000系數(shù)倍米/；平波時間為300ms。實測最低轉速可達0.1轉/分，最高轉速可達2000轉/分，低速運行平穩(wěn)；啟動時間小于4秒；速度無超調，位置超調小于0.5％；定位精度可達。實測電機相電流波形如圖7、8所示。 5 結束語 本文通過對智能模塊FM354所構成的交流伺服定位控制系統(tǒng)原理分析和具體實現(xiàn)，從中可以看出，該系統(tǒng)具有調速范圍寬；低速運行平穩(wěn)；啟動加速度大，響應快；速度環(huán)節(jié)無超調，位置超調很?。欢ㄎ痪雀?；實現(xiàn)靈活簡單，根據系統(tǒng)的不同可通過修改機械參數(shù)來滿足要求；但參數(shù)的優(yōu)化需要反復調試。