一文看懂西門子PLC控制的伺服控制系統(tǒng)

伺服控制系統(tǒng)

用來精確地跟隨或復現(xiàn)某個過程的反饋控制系統(tǒng)。在很多情況下，伺服系統(tǒng)專指被控制量（系統(tǒng)的輸出量）是機械位移或位移速度、加速度的反饋控制系統(tǒng)，其作用是使輸出的機械位移（或轉角）準確地跟蹤輸入的位移（或轉角）。伺服系統(tǒng)的結構組成和其他形式的反饋控制系統(tǒng)沒有原則上的區(qū)別。

伺服控制系統(tǒng)的優(yōu)點

1、精度：實現(xiàn)了位置，速度和力矩的閉環(huán)控制；克服了步進電機失步的問題；剛筋成品的尺寸和彎曲角度的精度均在±1；

2、轉速：高速性能好，一般額定轉速能達到2000～3000轉；

3、適應性：抗過載能力強，能承受三倍于額定轉矩的負載，對有瞬間負載波動和要求快速起動的場合特別適用；

4、穩(wěn)定：低速運行平穩(wěn)，低速運行時不會產(chǎn)生類似于步進電機的步進運行現(xiàn)象。適用于有高速響應要求的場合；

5、及時性：電機加減速的動態(tài)相應時間短，一般在幾十毫秒之內(nèi)；

6、舒適性：發(fā)熱和噪音明顯降低。

西門子PLC控制的伺服控制系統(tǒng)

以SINAMICS V80系統(tǒng)為例說明。SINAMICS V80伺服驅(qū)動系統(tǒng)包括伺服驅(qū)動器和伺服電機兩部分，伺服驅(qū)動器總是與其對應的同等功率的伺服電機一起配套使用。SINAMICS V80伺服驅(qū)動器通過脈沖輸入接口來接受從上位控制器發(fā)來的脈沖序列，進行速度和位置的控制，通過數(shù)字量接口信號來完成驅(qū)動器運行的控制和實時狀態(tài)的輸出。

驅(qū)動器上有一個脈沖設置旋轉開關用來設計脈沖分辨率以及指令脈沖類型的。本設計選擇3，對應的分辨率是10000。驅(qū)動器的四個連接器X1、X2、X10和X20相應的功能如圖3所示：

伺服電機控制系統(tǒng)的硬件組成如圖 4 所示。S7-200根據(jù)要求發(fā)出高速脈沖和電機轉動的方向信號，經(jīng)過驅(qū)動器控制伺服電機旋轉；電機旋轉編碼器的輸出信號通過驅(qū)動器形成A 相和B 相正交信號，經(jīng)信號轉換以后作為S7-200 高速計數(shù)器的信號源，形成以S7-200 為處理器的閉環(huán)控制系統(tǒng)。伺服電機、伺服驅(qū)動器和S7-200PLC 之間采用屏蔽電纜連接。

在伺服電機運行設計時，考慮到伺服電機的平穩(wěn)啟停，設計了三段式脈沖方式，其示意圖如5所示。脈沖是分三段式走，即上升、恒速、下降三段，上升段是啟動時速度從一個比較低的值上升到一個比較高的值，下降段是電機制動時速度從一個比較高的值一直減小到一個比較小的值，這樣有利于保護電機。定義上升和下降段都是走一百個脈沖，則剩余需走的脈沖在恒速段高速走完。另外當需走的脈沖數(shù)少于兩百個時，就以單段低速走，在每個脈沖子程序中都會先判斷是以單段式走還是以三段式走。

圖5 三段式脈沖示意圖

為了配合步進和伺服電動機的控制，西門子PLC內(nèi)置了脈沖輸出功能，并設置了相應的控制指令，可以很好地對步進和伺服電動機進行控制。

本節(jié)將重點講解西門子S7-200 PLC脈沖輸出功能和步進電動機的控制，伺服電動機的控制與步進電動機的基本相同。S7-300/400 PLC中也可以通過FM模塊實現(xiàn)步進和伺服控制，思路與S7-200 PLC一致，本節(jié)不再介紹。

1、脈沖輸出（PLS）指令

脈沖輸出（PLS）指令功能為：使能有效時，檢查用于脈沖輸出（Q0.0或Q0.1）的特殊存儲器位（SM），然后執(zhí)行特殊存儲器位定義的脈沖操作。指令格式如表9-3所示。

2、用于脈沖輸出（Q0.0或Q0.1）的特殊存儲器

每個PTO/PWM發(fā)生器都有一個控制字節(jié)（8位）、一個脈沖計數(shù)值（無符號的32位數(shù)值）、一個時間周期和脈寬值（無符號的16位數(shù)值）。這些值都放在特定的特殊存儲區(qū)（SM），如表9-4所示。執(zhí)行PLS指令時，S7-200讀這些特殊存儲器位（SM），然后執(zhí)行特殊存儲器位定義的脈沖操作，即對相應的PTO/PWM發(fā)生器進行編程。

3、Q0.0和Q0.1的共用

PTO/PWM生成器和輸出映像寄存器共用Q0.0和Q0.1。在Q0.0或Q0.1使用PTO或PWM功能時，PTO/PWM發(fā)生器控制輸出，并禁止輸出點的正常使用，輸出波形不受輸出映像寄存器狀態(tài)、輸出強制、執(zhí)行立即輸出指令的影響；在Q0.0或Q0.1位置沒有使用PTO或PWM功能時，輸出映像寄存器控制輸出，所以輸出映像寄存器決定輸出波形的初始和結束狀態(tài)，即決定脈沖輸出波形從高電平或低電平開始和結束，使輸出波形有短暫的不連續(xù)。

4、線性脈沖串輸出（PTO）

PTO可以實現(xiàn)占空比為1：2的高速脈沖串的輸出，脈沖數(shù)和周期可以由用戶定義。狀態(tài)字節(jié)中的最高位（空閑位）用來指示脈沖串輸出是否完成。可在脈沖串完成時啟動中斷程序，若使用多段操作，則在包絡表完成時啟動中斷程序。

5、脈寬可調(diào)脈沖（PWM）輸出

PWM是脈寬可調(diào)的高速脈沖輸出，通過控制脈寬和脈沖的周期，實現(xiàn)控制任務。

步進電動機在起動和停止時有一個加速及減速過程，且加速度越小則沖擊越小，動作越平穩(wěn)。所以，步進電動機工作時一般要經(jīng)歷這樣一個變化過程：加速→恒速（高速）→減速→恒速（低速）→停止。步進電動機轉速與脈沖頻率成正比，所以輸入步進電動機的脈沖頻率也要經(jīng)過一個類似變化過程。步進電動機脈沖頻率變化規(guī)律如圖9-5所示。

1、通過指令向?qū)ЫM態(tài)PTO

STEP7-Micro/WIN提供了位置控制向?qū)?，可以幫助用戶方便地完成PTO、PWM或位控模塊的組態(tài)。該向?qū)Э梢陨晌豢刂噶睿梢杂眠@些指令在應用程序中對速度和位置進行動態(tài)控制。

本小節(jié)通過PLC控制一個步進電動機的應用，說明利用STEP7-Micro/WIN位置控制向?qū)韺崿F(xiàn)PTO控制步進電動機的具體操作過程。