基于組態(tài)軟件的伺服電機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)畢業(yè)設(shè)計(jì)論文

1、<p><b>　　本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)</b></p><p>　　學(xué) 院： 電子與電氣工程學(xué)院 </p><p>　　專 業(yè)： 電氣工程及其自動化 </p><p>　　學(xué) 生： </p><p>　　指導(dǎo)教師 ：

2、 </p><p>　　完成日期 2013 年 5 月</p><p>　　基于組態(tài)軟件的伺服電機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)</p><p>　　Design of Servo Motor Monitoring System</p><p>　　Based on Configuration Software</p

3、><p>　　總 計(jì) ： 29 頁</p><p>　　表 格 ： 4 個</p><p>　　插 圖 ： 22 幅</p><p>　　基于組態(tài)軟件的伺服電機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)</p><p>　　[摘 要]隨著現(xiàn)代電子和控制技術(shù)的高速發(fā)展，交流伺服電機(jī)日益成熟，性能不斷提升，

4、且能在上位機(jī)上實(shí)時(shí)監(jiān)控電機(jī)的運(yùn)動軌跡，更能方便檢測電機(jī)的故障和安全隱患。本設(shè)計(jì)介紹了一種基于IFIX組態(tài)軟件和PLC的電機(jī)伺服控制系統(tǒng)。系統(tǒng)主要有組態(tài)軟件、 PLC、伺服驅(qū)動器、伺服電機(jī)組成。其中，以IFIX組態(tài)軟件作為人機(jī)界面，可實(shí)現(xiàn)對系統(tǒng)的實(shí)時(shí)監(jiān)控，以伺服電動機(jī)為控制對象，以驅(qū)動器器為核心，以電力電子功率變換裝置為執(zhí)行機(jī)構(gòu)。這類系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對控制網(wǎng)絡(luò)中電機(jī)的正、反轉(zhuǎn)，起、停機(jī)，加、減速，及故障報(bào)警、歷史趨勢、數(shù)據(jù)共享等要求。結(jié)果表明，采

5、用這種控制方案，可以取得良好的控制效果，運(yùn)行穩(wěn)定，滿足設(shè)計(jì)要求，因此本設(shè)計(jì)具有廣泛的應(yīng)用前景與實(shí)際意義。</p><p>　　[關(guān)鍵詞]監(jiān)控系統(tǒng)；組態(tài)軟件；伺服電機(jī) ；PLC；模擬量 </p><p>　　Design of Servo Motor Monitoring System</p><p>　　Based on Configuration Softwar

6、e</p><p>　　Abstract: With the rapid development of modern electronic and control technology, ac servo motor is increasingly mature, improve performance, and can real-time monitoring on the upper motor moveme

7、nt, more convenient testing machine failure and safe hidden trouble. This paper introduces a kind of based on IFIX configuration software and Programmable Logic Controller, servo motor control system. System includes con

8、figuration software, Programmable Logic Controller, servo driver, servo motor. Among</p><p>　　Key Words: Monitoring system; configuration software; servo motor ; programmable logic controller; analog qu

9、antity </p><p><b>　　目 錄</b></p><p><b>　　1 引言3</b></p><p>　　1.1 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀3</p><p>　　1.2 本課題研究意義及前景2</p><p>　　2 伺服電機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的概述和方案設(shè)計(jì)2&

10、lt;/p><p>　　2.1 伺服電機(jī)控制系統(tǒng)現(xiàn)狀及趨勢2</p><p>　　2.2伺服電機(jī)系統(tǒng)優(yōu)點(diǎn)3</p><p>　　2.3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求和設(shè)計(jì)方案4</p><p>　　2.3.1系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求4</p><p>　　2.3.2系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案4</p><p>　　3 伺服電動機(jī)調(diào)

11、速系統(tǒng)設(shè)計(jì)5</p><p>　　3.1 伺服電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)圖5</p><p>　　3.2 伺服電機(jī)結(jié)構(gòu)和工作原理5</p><p>　　3.2.1交流伺服電動機(jī)的組成結(jié)構(gòu)5</p><p>　　3.2.2伺服電動機(jī)的工作原理6</p><p>　　3.2.3伺服電機(jī)在位置和速度模式下的運(yùn)轉(zhuǎn)和調(diào)整

12、7</p><p>　　3.3 伺服驅(qū)動器8</p><p>　　3.3.1伺服驅(qū)動器控制電路設(shè)計(jì)8</p><p>　　3.3.2伺服電機(jī)驅(qū)動器調(diào)速控制系統(tǒng)及其原理9</p><p>　　3.3.3伺服驅(qū)動器閉環(huán)控制參數(shù)設(shè)置11</p><p>　　3.4伺服電機(jī)調(diào)速控制系統(tǒng)硬件接線圖11</p>

13、;<p>　　3.5 軟件設(shè)計(jì)12</p><p>　　4 Step7編程軟件概述及組態(tài)界面的設(shè)計(jì)14</p><p>　　4.1 S7-200PLC的概述14</p><p>　　4.1.1 SIMATIC S7-200PLC系統(tǒng)組成14</p><p>　　4.1.2 S7-200PLC功能及通訊14</p&

14、gt;<p>　　4.2 Step7程序編寫15</p><p>　　4.3 S7-200PLC的通信16</p><p>　　4.3.1 PLC與伺服系統(tǒng)的通信控制16</p><p>　　4.3.2 組態(tài)軟件選擇16</p><p>　　4.3.3 IFIX與S7-200PLC的通信18</p>&l

15、t;p>　　4.4 組態(tài)界面設(shè)計(jì)19</p><p>　　4.4.1組態(tài)監(jiān)控界面19</p><p>　　4.4.2組態(tài)變量19</p><p>　　5 控制過程及結(jié)果分析21</p><p>　　5.1 組態(tài)控制過程21</p><p>　　5.2 系統(tǒng)結(jié)果分析23</p><p

16、><b>　　結(jié)束語24</b></p><p><b>　　參考文獻(xiàn)25</b></p><p><b>　　附錄26</b></p><p><b>　　致謝29</b></p><p><b>　　1 引言</b>

17、</p><p>　　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伺服運(yùn)動控制，因此如何更方便、更準(zhǔn)確地實(shí)現(xiàn)伺服運(yùn)動控制和實(shí)時(shí)監(jiān)控是工業(yè)控制領(lǐng)域內(nèi)的一個重要問題。</p><p>　　1.1 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀</p><p>　　國外在這方面已有了較大突破。例如加拿大的GEMS系統(tǒng)通過對傳感器的數(shù)據(jù)進(jìn)行優(yōu)化處理來輔助操作者完成準(zhǔn)確的電機(jī)診斷。GEMS監(jiān)控

18、程序由專家系統(tǒng)分析模塊、狀態(tài)估計(jì)處理器和用戶接口模塊組成。GEMS裝置顧問程序是運(yùn)行在一臺PC機(jī)上獨(dú)立的軟件，通過C語言編程來實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集并實(shí)現(xiàn)伺服電機(jī)傳感器數(shù)據(jù)與GEMS監(jiān)控程序中的狀態(tài)估計(jì)處理器的通訊來實(shí)現(xiàn)監(jiān)控。而美國的PDS系統(tǒng)則是通過建立規(guī)則知識庫來實(shí)現(xiàn)監(jiān)控的。PDS系統(tǒng)通過對傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行壓縮，然后將數(shù)據(jù)傳送到診斷中心，經(jīng)診斷后輸出以實(shí)現(xiàn)監(jiān)控。到目前為止，高性能的電機(jī)伺服系統(tǒng)大多采用永磁同步型交流伺服電動機(jī)，控制驅(qū)動器多采用快

19、速、準(zhǔn)確定位的全數(shù)字位置伺服系統(tǒng)。典型生產(chǎn)廠家如德國西門子、美國科爾摩根和日本松下及安川等公司。</p><p>　　目前，國內(nèi)大部分工廠僅對電機(jī)進(jìn)行具體的、有限的監(jiān)控。大多數(shù)情況下，老機(jī)組僅依靠表盤監(jiān)控，即使少數(shù)新上的機(jī)組有微機(jī)在線監(jiān)測裝置，進(jìn)入微機(jī)的數(shù)據(jù)也很有限且沒有經(jīng)過判斷和綜合分析，因此微機(jī)在線監(jiān)控裝置僅能作為信號記錄及儲存使用。這樣，運(yùn)行人員僅憑經(jīng)驗(yàn)來判斷電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)的異常現(xiàn)象，難以準(zhǔn)確早期發(fā)現(xiàn)事故隱患

20、。從20世紀(jì)80年代初開始，各種各樣的在線監(jiān)測裝置在船用發(fā)電機(jī)上得到了推廣和應(yīng)用。以往，我國用電設(shè)備長期以來實(shí)施“計(jì)劃維修”，缺乏針對性，容易造成設(shè)備的“過度維修”?，F(xiàn)在，先進(jìn)的工業(yè)國家都轉(zhuǎn)至狀態(tài)維修也就是“需修時(shí)修”。</p><p>　　1.2 本課題研究意義及前景</p><p>　　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

21、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。</p><p>　　本設(shè)計(jì)采用IFIX組態(tài)軟件開發(fā)人機(jī)交互界面，利用PLC來完成對伺服驅(qū)動器的控制和反饋

22、，實(shí)現(xiàn)對控制網(wǎng)絡(luò)中電機(jī)的正、反轉(zhuǎn)，起、停機(jī)，加、減速，及故障報(bào)警、歷史趨勢、數(shù)據(jù)共享等，實(shí)現(xiàn)報(bào)表的自動生成以及生產(chǎn)的高效管理。使生產(chǎn)過程操作簡單、降低控制、維護(hù)成本。其中伺服驅(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。控制層根據(jù)給定信號和反饋信號產(chǎn)生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

23、求的算法或校正量，以提高或校正系統(tǒng)的靜態(tài)性能。通過人機(jī)交互界面的設(shè)計(jì)，能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)控電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)。實(shí)時(shí)監(jiān)控是與人們息息相關(guān)的一個實(shí)際問題。針對這種實(shí)際情況，借助PLC梯形圖和接口電路設(shè)計(jì)一個基于PLC的伺服控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)，更能方便檢測電機(jī)的故障和安全隱患。交流伺服電機(jī)技術(shù)也日益成熟，性能不斷提升，并且在上位機(jī)上能夠?qū)崟r(shí)的監(jiān)控電機(jī)的運(yùn)動速度，具有控制精度比較高，抗干擾能力強(qiáng)，具有廣泛的應(yīng)用前景與實(shí)際意義。</p><p&g

24、t;　　2 伺服電機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的概述和方案設(shè)計(jì)</p><p>　　2.1 伺服電機(jī)控制系統(tǒng)現(xiàn)狀及趨勢</p><p>　　從70年代后期到80年代初期，隨著微處理器技術(shù)、大功率高性能半導(dǎo)體功率器件技術(shù)和電機(jī)永磁材料制造工藝的發(fā)展及其性能價(jià)格比的日益提高，交流伺服技術(shù)——交流伺服電機(jī)和交流伺服控制系統(tǒng)逐漸成為主導(dǎo)產(chǎn)品。交流伺服驅(qū)動技術(shù)已經(jīng)成為工業(yè)領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)自動化的基礎(chǔ)技術(shù)之一，并將逐漸取代直流

25、伺服系統(tǒng)。</p><p>　　交流伺服系統(tǒng)按其采用的驅(qū)動電動機(jī)的類型來分，主要有兩大類：永磁同步（SM型）電動機(jī)交流伺服系統(tǒng)和感應(yīng)式異步（IM型）電動機(jī)交流伺服系統(tǒng)。其中，永磁同步電動機(jī)交流伺服系統(tǒng)在技術(shù)上已趨于完全成熟，具備了十分優(yōu)良的低速性能，并可實(shí)現(xiàn)弱磁高速控制，拓寬了系統(tǒng)的調(diào)速范圍，適應(yīng)了高性能伺服驅(qū)動的要求，目前已成為交流伺服系統(tǒng)的主流。感應(yīng)式異步電動機(jī)交流伺服系統(tǒng)由于感應(yīng)式異步電動機(jī)結(jié)構(gòu)堅(jiān)固，制造容

26、易，價(jià)格低廉，因而具有很好的發(fā)展前景，代表了將來伺服技術(shù)的方向，目前并未得到普遍應(yīng)用[1]。</p><p>　　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?，F(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。</p><p>

27、　　當(dāng)今科學(xué)的快速發(fā)展使得各學(xué)科之間已沒有嚴(yán)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(jīng)網(wǎng)絡(luò)、模糊控制、滑模變結(jié)構(gòu)控制等現(xiàn)代控制理論用于伺服電機(jī)調(diào)速技術(shù)有著極其重要的意義和廣闊的前景，可以認(rèn)為這將是伺服電機(jī)調(diào)速技術(shù)的發(fā)展方向之一。此外，控制領(lǐng)域的其他新技術(shù)如現(xiàn)場總線、自適應(yīng)控制、遺傳算法等，也將引入到交流傳動領(lǐng)域，給伺服電機(jī)調(diào)速的控制技術(shù)帶來重大的影響。</p><p>　　2.2伺服電機(jī)系統(tǒng)優(yōu)點(diǎn)&

28、lt;/p><p>　　伺服電機(jī)在自動控制系統(tǒng)中用作執(zhí)行組件，它將接收到的控制信號轉(zhuǎn)換為軸的角位移或角速度輸出。通常的控制方式有三種[2]：</p><p>　　（1）通訊方式，利用RS232或RS485方式與上位機(jī)進(jìn)行通訊，實(shí)現(xiàn)控制；</p><p>　?。?）模擬量控制方式，利用模擬量的大小和極性來控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速和方向；</p><p>　　

29、（3）差分信號控制方式，利用差分信號的頻率來控制電機(jī)速度。</p><p>　　伺服電機(jī)的主要特點(diǎn)是電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速受輸入型號控制，實(shí)現(xiàn)電機(jī)轉(zhuǎn)速或被控對象輸出的控制。此外，還具有以下優(yōu)點(diǎn)：</p><p>　　（1）精度：實(shí)現(xiàn)了位置，速度和力矩的閉環(huán)控制；克服了步進(jìn)電機(jī)失步的問題； </p><p>　?。?）轉(zhuǎn)速：高速性能好，一般額定轉(zhuǎn)速能達(dá)到2000～3000轉(zhuǎn)；

30、</p><p>　?。?）適應(yīng)性：抗過載能力強(qiáng)，能承受三倍于額定轉(zhuǎn)矩的負(fù)載，對有瞬間負(fù)載波動和要求快速起動的場合特別適用； </p><p>　?。?）穩(wěn)定：低速運(yùn)行平穩(wěn)，低速運(yùn)行時(shí)不會產(chǎn)生類似于步進(jìn)電機(jī)的步進(jìn)運(yùn)行現(xiàn)象。適用于有高速響應(yīng)要求的場合； </p><p>　?。?）及時(shí)性：電機(jī)加減速的動態(tài)相應(yīng)時(shí)間短，一般在幾十毫秒之內(nèi)； </p><

31、;p>　　（6）舒適性：發(fā)熱和噪音明顯降低。</p><p>　　與其他電機(jī)相比，利用伺服電機(jī)控制系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)速控制有許多優(yōu)點(diǎn)，如節(jié)能，容易實(shí)現(xiàn)對現(xiàn)有電動機(jī)的調(diào)速控制，可以實(shí)現(xiàn)大范圍的高效連續(xù)調(diào)速控制，容易實(shí)現(xiàn)電動機(jī)的正反轉(zhuǎn)切換，可以進(jìn)行高頻度的起、停、運(yùn)轉(zhuǎn)，可以進(jìn)行電氣制動。</p><p>　　2.3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求和設(shè)計(jì)方案</p><p>　　2.3.1系

32、統(tǒng)設(shè)計(jì)要求</p><p>　　本設(shè)計(jì)要求用IFIX組態(tài)軟件開發(fā)人機(jī)交互界面，利用PLC來完成對伺服驅(qū)動器的控制和反饋， 實(shí)現(xiàn)對控制網(wǎng)絡(luò)中電機(jī)的正、反轉(zhuǎn)，起、停機(jī)，加、減速，及故障報(bào)警、歷史趨勢、數(shù)據(jù)共享等，實(shí)現(xiàn)報(bào)表的自動生成以及生產(chǎn)的高效管理。使生產(chǎn)過程操作簡單、降低控制、維護(hù)成本。其中伺服驅(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

33、檢驗(yàn)和變換反饋信號。控制層根據(jù)給定信號和反饋信號產(chǎn)生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。通過人機(jī)交互界面的設(shè)計(jì)，能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)控電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)。</p><p>　　2.3.2系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案</p><p>　　S7-200PLC，IFIX是由國際知名的自動化公司研發(fā)的，完全是為了滿足工

34、業(yè)自動化領(lǐng)域的應(yīng)用的PLC和組態(tài)軟件。伺服系統(tǒng)運(yùn)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(shè)備和對象多而復(fù)雜、實(shí)時(shí)性要求高等特點(diǎn)。隨著現(xiàn)伺服技術(shù)和遠(yuǎn)程控制日益成熟信息化要求的提高，基于現(xiàn)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(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

35、服的控制系統(tǒng)；通訊是否可靠；設(shè)備選型等。</p><p>　　針對上述一些問題本系統(tǒng)采用的基本結(jié)構(gòu)如圖1所示。</p><p>　　圖1 系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)圖</p><p>　　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

36、速[3]。由用戶程序控制PLC的動作，PLC的動作引起伺服驅(qū)動器的反應(yīng)，從而達(dá)到控制電機(jī)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)。</p><p>　　3 伺服電動機(jī)調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)</p><p>　　3.1 伺服電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)圖</p>&

37、lt;p>　　隨著伺服電動機(jī)在國內(nèi)外市場上日益擴(kuò)大應(yīng)用。我國對于伺服電機(jī)的品種不斷擴(kuò)大，產(chǎn)品設(shè)計(jì)也不斷改進(jìn)。為適應(yīng)不同用途、不同工作條件和使用環(huán)境等各種要求，專用系列伺服電機(jī)產(chǎn)品在將來將迅速發(fā)展。伺服調(diào)速系統(tǒng)的主要組成部分如圖2所示。</p><p>　　圖2 伺服電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)圖</p><p>　　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

38、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)

39、性?？刂蒲b置選用西門子 S7-200PLC系列PLCCPU224XP．這種型號的PLC除了帶有輸入輸出點(diǎn)外，還有1個模擬量輸入點(diǎn)和1個模擬量輸出點(diǎn)，這一型號PLC所具有的模擬量模塊，能夠滿足控制伺服電機(jī)的需要[4]。</p><p>　　3.2 伺服電機(jī)結(jié)構(gòu)和工作原理</p><p>　　3.2.1交流伺服電動機(jī)的組成結(jié)構(gòu)</p><p>　　交流伺服電動機(jī)的結(jié)構(gòu)主

40、要可分為兩大部分，即定子部分和轉(zhuǎn)子。其中定子的結(jié)構(gòu)與旋轉(zhuǎn)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3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(jī)是一種兩相的交流電動機(jī)。轉(zhuǎn)子的結(jié)構(gòu)常用的有鼠籠形轉(zhuǎn)子和非磁性杯形轉(zhuǎn)子。鼠籠形轉(zhuǎn)子交流伺服電動機(jī)的結(jié)構(gòu)如圖4所示，它的轉(zhuǎn)子由轉(zhuǎn)軸、轉(zhuǎn)子鐵心和轉(zhuǎn)子繞組等組成。轉(zhuǎn)子鐵心是由硅鋼片疊成的，每片沖成有齒有槽的形狀，然后疊壓起來

41、將軸壓入軸孔內(nèi)。鐵心的每一槽中放有一根導(dǎo)條，所有導(dǎo)條兩端用兩個短路環(huán)連接，這就構(gòu)成了轉(zhuǎn)子繞組。如圖5所示。</p><p>　　圖3 兩相繞組分布圖 圖4 鼠籠型轉(zhuǎn)子交流伺服電機(jī) 圖5 轉(zhuǎn)子沖片</p><p>　　非磁性杯形轉(zhuǎn)子交流伺服電動機(jī)的結(jié)構(gòu)外定子與鼠籠形轉(zhuǎn)子伺服電動機(jī)的定子完全一樣,內(nèi)定子由環(huán)形鋼片疊成,通常內(nèi)定子不放繞組，只是代替鼠籠轉(zhuǎn)子的鐵心，作為電機(jī)

42、磁路的一部分。在內(nèi)、外定子之間有細(xì)長的空心轉(zhuǎn)子裝在轉(zhuǎn)軸上，空心轉(zhuǎn)子作成杯子形狀，所以又稱為空心杯形轉(zhuǎn)子?？招谋煞谴判圆牧箱X或銅制成，它的杯壁極薄，一般在0.3 mm。 杯形轉(zhuǎn)子套在內(nèi)定子鐵心外，并通過轉(zhuǎn)軸可以在內(nèi)、外定子之間的氣隙中自由轉(zhuǎn)動，而內(nèi)、 外定子是不動的。</p><p>　　與鼠籠形轉(zhuǎn)子相比較，非磁性杯形轉(zhuǎn)子慣量小，軸承摩擦阻轉(zhuǎn)矩小,由于它的轉(zhuǎn)子沒有齒和槽，所以定、轉(zhuǎn)子間沒有齒槽粘合現(xiàn)象，轉(zhuǎn)矩不會隨

43、轉(zhuǎn)子不同的位置而發(fā)生變化，恒速旋轉(zhuǎn)時(shí)，轉(zhuǎn)子一般不會有抖動現(xiàn)象，運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)。但是由于它內(nèi)、外定子間氣隙較大(杯壁厚度加上杯壁兩邊的氣隙)，所以勵磁電流就大，降低了電機(jī)的利用率，因而在相同的體積和重量下，在一定的功率范圍內(nèi)，杯形轉(zhuǎn)子伺服電動機(jī)比鼠籠轉(zhuǎn)子伺服電動機(jī)所產(chǎn)生的啟動轉(zhuǎn)矩和輸出功率都?。涣硗?，杯形轉(zhuǎn)子伺服電動機(jī)結(jié)構(gòu)和制造工藝又比較復(fù)雜。因此,目前廣泛應(yīng)用的是鼠籠形轉(zhuǎn)子伺服電動機(jī),只有在要求運(yùn)轉(zhuǎn)非常平穩(wěn)的某些特殊場合下(如：積分電路等),

44、才采用非磁性杯形轉(zhuǎn)子伺服電動機(jī)。</p><p>　　3.2.2伺服電動機(jī)的工作原理</p><p>　　交流伺服電機(jī)的工作原理和單相感應(yīng)電動機(jī)無本質(zhì)上的差異。但是，交流伺服電機(jī)必須具備一個性能，就是能克服交流伺服電機(jī)的所謂“自轉(zhuǎn)”現(xiàn)象，即無控制信號時(shí)，它不應(yīng)轉(zhuǎn)動，特別是當(dāng)它已在轉(zhuǎn)動時(shí)，如果控制信號消失，它應(yīng)能立即停止轉(zhuǎn)動。而普通的感應(yīng)電動機(jī)轉(zhuǎn)動起來以后，如控制信號消失，往往仍在繼續(xù)轉(zhuǎn)動。

45、</p><p>　　當(dāng)電機(jī)原來處于靜止?fàn)顟B(tài)時(shí)，如控制繞組不加控制電壓，此時(shí)只有勵磁繞組通電產(chǎn)生脈動磁場。可以把脈動磁場看成兩個圓形旋轉(zhuǎn)磁場。這兩個圓形旋轉(zhuǎn)磁場以同樣的大小和轉(zhuǎn)速，向相反方向旋轉(zhuǎn)，所建立的正、反轉(zhuǎn)旋轉(zhuǎn)磁場分別切割籠型繞組（或杯形壁）并感應(yīng)出大小相同，相位相反的電動勢和電流（或渦流），這些電流分別與各自的磁場作用產(chǎn)生的力矩也大小相等、方向相反，合成力矩為零伺服電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)不起來。一旦控制系統(tǒng)有偏差信號

46、，控制繞組就要接受與之相對應(yīng)的控制電壓。在一般情況下，電機(jī)內(nèi)部產(chǎn)生的磁場是橢圓形旋轉(zhuǎn)磁場[5]。一個橢圓形旋轉(zhuǎn)磁場可以看成是由兩個圓形旋轉(zhuǎn)磁場合成起來的。這兩個圓形旋轉(zhuǎn)磁場幅值不等（與原橢圓旋轉(zhuǎn)磁場轉(zhuǎn)向相同的正轉(zhuǎn)磁場大，與原轉(zhuǎn)向相反的反轉(zhuǎn)磁場?。?，但以相同的速度，向相反的方向旋轉(zhuǎn)。它們切割轉(zhuǎn)子繞組感應(yīng)的電勢和電流以及產(chǎn)生的電磁力矩也方向相反、大小不等（正轉(zhuǎn)者大，反轉(zhuǎn)者?。┖铣闪夭粸榱悖运欧姍C(jī)就朝著正轉(zhuǎn)磁場的方向轉(zhuǎn)動起來，隨著信號

47、的增強(qiáng)，磁場接近圓形，此時(shí)正轉(zhuǎn)磁場及其力矩增大，反轉(zhuǎn)磁場及其力矩減小，合成力矩變大，如負(fù)載力矩不變，轉(zhuǎn)子的速度就增加。如果改變控制電壓的相位，即移相1800，旋轉(zhuǎn)磁場</p><p>　　3.2.3伺服電機(jī)在位置和速度模式下的運(yùn)轉(zhuǎn)和調(diào)整</p><p>　?。?）位置控制模式下的運(yùn)轉(zhuǎn)：位置控制的根本任務(wù)就是使執(zhí)行機(jī)構(gòu)對位置指令的精確跟蹤，被控量一般是負(fù)載的空間位移，當(dāng)給定量隨機(jī)變化時(shí)，系統(tǒng)

48、能使被控量無誤地跟蹤并反饋給定量，給定量可能是角位移或直線位移。所以，位置控制必然是一個反饋控制系統(tǒng)組成位置控制回路。在位置控制方式下，伺服驅(qū)動器接收數(shù)控主機(jī)發(fā)出的位置指令信號脈沖/方向，送入脈沖列形態(tài)，經(jīng)電子齒輪分/倍頻后，在偏差可逆計(jì)數(shù)器中與反饋脈沖信號比較后形成偏差信號。反饋脈沖是由光電編碼器檢測到電機(jī)實(shí)際所產(chǎn)生的脈沖數(shù)，經(jīng)四倍頻后產(chǎn)生的。位置偏差信號經(jīng)位置環(huán)的復(fù)合前饋控制器調(diào)節(jié)后，形成速度指令信號。速度指令信號與速度反饋信號與位

49、置檢測裝置相同比較后的偏差信號經(jīng)速度環(huán)比例積分控制器調(diào)節(jié)后產(chǎn)生電流指令信號，在電流環(huán)中經(jīng)矢量變換后由SPWM輸出轉(zhuǎn)矩電流，控制交流伺服電機(jī)的運(yùn)行。位置控制精度由旋轉(zhuǎn)編碼器每轉(zhuǎn)產(chǎn)生的脈沖數(shù)控制，系統(tǒng)一般采用的是增量式光電編碼器，Srv- on接PLC輸出繼電器控制，控制伺服驅(qū)動器啟動、停止。PULS2為指令脈沖輸入端口，SING2為方向信號輸入端口，分別由PLC發(fā)出控制信號，來控制伺服機(jī)的運(yùn)行的步數(shù)及運(yùn)行方向。</p>&l

50、t;p>　　（2）速度控制模式下的運(yùn)轉(zhuǎn)：速度控制的目的就是要讓伺服電機(jī)根據(jù)控制要求最快速的進(jìn)行動作響應(yīng)。速度控制是一個反饋控制系統(tǒng)，組成速度控制回路，即速度環(huán)。Srv-on接PLC輸出繼電器控制，控制伺服驅(qū)動器啟動、停止。Zerospd是伺服驅(qū)動器本身的啟動、停止控制端。trqr接PLC模擬量輸出，對伺服電機(jī)的速度進(jìn)行控制。以完成速度控制要求[6]。</p><p>　?。?）增益調(diào)整：在使用伺服電機(jī)的場合

51、，要求電機(jī)按照指令動作，不得延遲，不得有誤。要保證這點(diǎn)，必須要有增益調(diào)整。增益調(diào)整分為自動調(diào)整與手動調(diào)整兩類。①：自動調(diào)整的適用性。負(fù)載慣量必須至少是電機(jī)慣量的三倍，但是不能大于20倍。機(jī)器（電機(jī)負(fù)載）和它的耦合連接必須有較高的機(jī)械鋼性。①齒輪及其他設(shè)備的間隙很??；②偏心負(fù)載必須小于額定轉(zhuǎn)矩的1/4；③粘性的負(fù)載轉(zhuǎn)矩必須小于額定轉(zhuǎn)矩的1/4；④任何振蕩不得導(dǎo)致機(jī)器（電機(jī)負(fù)載）的機(jī)械損壞；⑤兩次反時(shí)針轉(zhuǎn)動，接著兩次順時(shí)針轉(zhuǎn)動，決不能成任何

52、問題。②：增益調(diào)整與機(jī)械剛性之間的關(guān)系。為了增加機(jī)械剛性：①機(jī)械（電機(jī)負(fù)載）必須牢固地固定在堅(jiān)硬的基礎(chǔ)上；②電機(jī)與機(jī)器之間的耦合連接必須是專門設(shè)計(jì)為伺服電機(jī)用的高剛性；③同步帶必須有較大的寬度，同步帶的張力必須根據(jù)電機(jī)允許軸向負(fù)載作相應(yīng)的調(diào)整；④齒輪必須有較小的間隙。機(jī)器的固有頻率（諧振）大大的影響伺服電機(jī)的增益調(diào)整，如果機(jī)器的諧振頻率比較低，就不能設(shè)定伺服系統(tǒng)的較高響應(yīng)特性。</p><p><b>

53、　　3.3 伺服驅(qū)動器</b></p><p>　　3.3.1伺服驅(qū)動器控制電路設(shè)計(jì) </p><p>　　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。伺服電機(jī)控制系統(tǒng)框圖如圖6所示。</p>

54、<p>　　圖6 伺服電機(jī)控制系統(tǒng)框圖</p><p>　　由圖6可知，PLC控制器為系統(tǒng)主控制器；伺服驅(qū)動器通過自帶的通信模塊可以很方便地連接到PLC控制網(wǎng)絡(luò)上；使用S7-200PLC的編程軟件step7設(shè)計(jì)梯形圖程序，并下載到PLC控制器中，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程基于S7-200PLC對伺服驅(qū)動器控制，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對電機(jī)的速度、位置控制[7]。其中，計(jì)算機(jī)用于系統(tǒng)的組態(tài)、監(jiān)控和編程，PPI電纜負(fù)責(zé)PLC控制器與計(jì)

55、算機(jī)之間的通信，而PLC控制器進(jìn)行順序和傳動控制，通過伺服驅(qū)動器專用線將控制器命令傳達(dá)給伺服驅(qū)動器，同時(shí)接受伺服驅(qū)動器的狀態(tài)并實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)反饋信息?？刂瞥绦?qū)⑺俣冉o定值命令信息以控制字的數(shù)據(jù)格式傳給PLC控制器，實(shí)現(xiàn)伺服驅(qū)動器的自動控制。</p><p>　　3.3.2伺服電機(jī)驅(qū)動器調(diào)速控制系統(tǒng)及其原理</p><p>　　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

56、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(shí)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7所示。</p><p>　　圖7 伺服調(diào)速工作原理框圖</p><p>　　由公式n=60f(1-s)/p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)。&

57、lt;/p><p>　　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-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。伺服驅(qū)動器工作原理如圖8所示。 </p><p>　　圖8 伺服驅(qū)動器工作原理圖</p><p>　　由公式可知，改變定子電源頻率可以改變同步轉(zhuǎn)

58、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</p><p>　　U=E=C1f1 （1）</p><p>　　式中，C1為常數(shù)。由此有</p><p><b>　?。?）</b></p><p>　　由公式（2）

59、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(shí)還要降壓，這就要求頻率與電壓能協(xié)調(diào)控制。</p><p>　　3.3.3伺服驅(qū)動器閉環(huán)控制參數(shù)設(shè)置</p><p>　　閉環(huán)控制主要由三個部分構(gòu)成，

60、即可編程邏輯控制器件PLC、驅(qū)動器和電機(jī)。首先通過設(shè)置給定輸入給PLC，再通過PLC控制驅(qū)動器，再經(jīng)由驅(qū)動器來控制電機(jī)，隨后將電機(jī)的轉(zhuǎn)速反饋給PLC，經(jīng)比較后輸出給驅(qū)動器從而實(shí)現(xiàn)無靜差調(diào)速。如圖9所示。 </p><p>　　圖9 速度閉環(huán)控制的機(jī)構(gòu)控制</p><p>　　構(gòu)成閉環(huán)系統(tǒng)就要把速度信息反饋給輸入。速度的測量可以通過光電編碼器和PLC來實(shí)現(xiàn)。</p><p

61、>　　速度采集：S7-200PLC具有高速脈沖采集功能，采集頻率可以達(dá)到30KHz，共有6個高速計(jì)數(shù)器（HSC0~HSC5）工作模式有12種。在固定時(shí)間間隔內(nèi)采集脈沖差值，通過計(jì)算既可以獲得電動機(jī)的當(dāng)前轉(zhuǎn)速。</p><p>　　例如：設(shè)采樣周期為100ms即是每隔100ms采集脈沖一次，光電開關(guān)每轉(zhuǎn)發(fā)出8個脈沖，那么就可以得到速度為</p><p><b>　?。?）&l

62、t;/b></p><p>　　其中為采樣周期內(nèi)接受到的脈沖數(shù)。轉(zhuǎn)速的單位為。</p><p>　　閉環(huán)控制就是將速度信號反饋給PLC，再通過與給定量比較，輸出給PID控制部分，從而調(diào)節(jié)速度使其能達(dá)到設(shè)定要求[8]。</p><p>　　3.4伺服電機(jī)調(diào)速控制系統(tǒng)硬件接線圖</p><p>　　這里用PLC的高速脈沖輸出功能和交流伺服電

63、機(jī)的位置控制模式來設(shè)計(jì)工作臺的驅(qū)動系統(tǒng)。工作臺的X、Y個方向各使用一個驅(qū)動器和電機(jī)，系統(tǒng)的硬件連接主要是PLC的I/0口與驅(qū)動器的控制I/O接口的連接。驅(qū)動器使用到的控制I/O口有：脈沖輸入(PULS)，電機(jī)方向控制(SIGN)，計(jì)數(shù)器清零(CL)與脈沖靜止輸入(INH)4個輸人口，伺服準(zhǔn)備結(jié)束(S-RDY)，伺服警報(bào)(ALM)與定位結(jié)束(COIN)3個輸出口。脈沖輸入接到PLC的Q0.0和Q0.1，其他接到普通I/O口。工作臺兩軸各有

64、2個限位開關(guān)連接到PLC輸入口和驅(qū)動器的正負(fù)限位輸入(CWL和CCWL)中，作為工作臺保險(xiǎn)和復(fù)位之用。PLC總需8路輸出和10路輸入，每個伺服驅(qū)動器的控制線使用9路。PLC剩下的I/O用來控制其他對象。外部接線圖如圖10所示。</p><p><b>　　圖10 外部接線圖</b></p><p><b>　　3.5 軟件設(shè)計(jì)</b></p

65、><p>　　編程設(shè)計(jì)時(shí)， 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，更容易掌握。使用S7-200PLC編寫的梯形圖程序如下，符號表的定義表1所示。</p><p><b>　　表1 符號定義表</b></p><p>　　主程序塊DB1，其部分程

66、序截圖如圖11所示。</p><p>　　圖11 主程序部分程序</p><p>　　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(shí)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(shí)，程序

67、順序掃描，在掃描到SBR_0時(shí)，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。子程序SBR_0部分截圖，如圖12所示。</p><p>　　圖12 SBR_0部分程序&

68、lt;/p><p>　　4 Step7編程軟件概述及組態(tài)界面的設(shè)計(jì)</p><p>　　4.1 S7-200PLC的概述</p><p>　　S7-200PLC是模塊化中型PLC系統(tǒng)，采用模塊化結(jié)構(gòu)，本系統(tǒng)選用的是西門子公司生產(chǎn)的SIMATIC S7-200PLC系列小型PLC，可用于代替繼電器的簡單控制場合，也可用于復(fù)雜的自動化控制系統(tǒng)。由于它極強(qiáng)的的通信功能，在大型

69、網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)中也能充分發(fā)揮其功能。</p><p>　　S7-200PLC的可靠性高，可以用梯形圖語句表功能塊圖三種語言來編程。它的指令豐富，指令功能強(qiáng)，易于掌握，操作方便，內(nèi)置有高速計(jì)數(shù)器、高速輸出、PID控制器、RS-485通信/編程接口、PPI通信協(xié)議、MPI通信協(xié)議和自由端口模式通信功能，最大可以擴(kuò)展到248點(diǎn)數(shù)字量I/O或35路模擬量I/O，最多有30多KB的程序和數(shù)據(jù)存儲空間。其框圖如圖13所示。&l

70、t;/p><p>　　圖13 S7-200PLC結(jié)構(gòu)框圖</p><p>　　4.1.1 SIMATIC S7-200PLC系統(tǒng)組成</p><p>　　SIMATIC S7-200PLC系列PLC是模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，各單獨(dú)模塊之間可進(jìn)行廣泛組合和擴(kuò)展。其系統(tǒng)構(gòu)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(wǎng)的接口直接

71、與編程器PG、操作員面板OP和其它S7 PLC相連。</p><p>　?。?）負(fù)載電源模塊（PS）：用于將SIMATICS7-200PLC連接到120/230V交流電源，或24/48/60/110V直流電源。</p><p>　?。?）中央處理單元CPU：各種CPU有不同的性能一般根據(jù)工業(yè)需求自己選擇。</p><p>　?。?）信號模塊（SM）：用于數(shù)字量和模擬

72、量輸入/輸出。</p><p>　?。?）功能模塊（FM）：用于高速計(jì)算，定位操作（開環(huán)和閉環(huán)定位）和閉環(huán)控制。</p><p>　　4.1.2 S7-200PLC功能及通訊</p><p>　　SIMATICS7-200PLC的大量功能能夠支持和幫助用戶進(jìn)行編程、啟動和維護(hù)，其主要功能如下：</p><p>　　數(shù)字量輸入、輸出；模擬量輸入

73、、輸出。另外還有高數(shù)計(jì)數(shù)器模塊，以太網(wǎng)通訊模塊，串口通訊模塊，分布式I/O等，數(shù)字量輸入一般用于閥門，閘門，位置量的開關(guān)到位反饋，數(shù)字量的輸出一般用于閥門，閘門等開關(guān)控制，當(dāng)然這里的閥門和閘門是指非調(diào)節(jié)型的，而模擬量輸入可以用于可調(diào)節(jié)型閥門閘門的開度反饋，以及向液位，流量，速度等模擬量值的反饋，而輸出則是對上述進(jìn)行控制。這四個是最常用的，基本的控制用這四個就夠了。</p><p>　　4.2 Step7程序編寫&

74、lt;/p><p>　　STEP7Micro/win是S7-200PLC系列PLC應(yīng)用設(shè)計(jì)軟件包，所支持的PLC編程語言非常豐富。該軟件的標(biāo)準(zhǔn)版支持STL（語句表）、LAD（梯形圖）及FBD（功能塊圖）三種基本編程語言，并且在STEP 7中可以相互自由轉(zhuǎn)換。專業(yè)版附加對GRAPH（順序功能圖）、SCL（結(jié)構(gòu)化控制語言）、HIGRAPH（圖形編程語言）、CFC（連續(xù)功能圖）等編程語言的支持。STEP7用文件形式管理用戶

75、編寫的程序。用戶程序存放于不同的塊中，如果這些塊是子程序，可以通過通用語言，將它們組織成結(jié)構(gòu)化的用戶程序。可以在以后用到時(shí)直接調(diào)用。這樣就大大簡化程序結(jié)構(gòu)。</p><p>　　當(dāng)PLC投入運(yùn)行后，其工作過程一般分為三個階段，即輸入采樣階段、用戶程序執(zhí)行階段和輸出刷新階段三個階段。完成上述三個階段稱作一個掃描周期。在整個運(yùn)行期間，PLC的CPU以一定的掃描速度重復(fù)執(zhí)行上述三個階段。</p><

76、p>　　第1步，硬件組態(tài)完畢后，點(diǎn)擊展開項(xiàng)目“伺服電機(jī)控制”的“S7 程序（1）”至“塊”，打開編程所需要的塊。如圖14所示。</p><p>　　圖14 伺服電機(jī)控制程序編寫</p><p>　　第2步，下載程序編程完保存后，點(diǎn)擊“Download”圖標(biāo)或者右鍵點(diǎn)擊“Blocks”，在彈出菜單中選擇“PLC”→“Download”實(shí)現(xiàn)整個程序塊的下載。</p><

77、;p>　　在伺服電機(jī)運(yùn)行設(shè)計(jì)時(shí)，考慮到伺服電機(jī)的平穩(wěn)啟停，設(shè)計(jì)了三段式脈沖方式即上升、恒速、下降三段，上升段是啟動時(shí)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(jī)制動時(shí)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(hù)電機(jī)。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(dāng)需走的脈沖數(shù)少于兩百個時(shí)，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走。其示意圖如圖15所示。

78、</p><p>　　圖15 三段式脈沖示意圖</p><p>　　4.3 S7-200PLC的通信</p><p>　　4.3.1 PLC與伺服系統(tǒng)的通信控制</p><p>　　西門子CPU支持無協(xié)議通信，即用戶僅需要對數(shù)據(jù)格式、傳輸速率、起始/停止碼等進(jìn)行簡單設(shè)定，PLC與外部設(shè)備間就可進(jìn)行直接數(shù)據(jù)發(fā)送與接收的一種通信方式。伺服系統(tǒng)和P

79、LC分別作為系統(tǒng)的主從站。PLC控制器通過該通信功能可實(shí)現(xiàn)對伺服驅(qū)動器進(jìn)行運(yùn)行控制、參數(shù)讀取、伺服驅(qū)動器當(dāng)前運(yùn)動狀態(tài)的讀取等操作。</p><p>　　編碼器是作為伺服控制系統(tǒng)中的信號反饋系統(tǒng)。一般由旋轉(zhuǎn)的凸輪和光電開關(guān)組成。將光電開關(guān)的凹槽對準(zhǔn)凸輪的齒，當(dāng)電機(jī)旋轉(zhuǎn)時(shí)，光電開關(guān)就檢測到凸輪的信號（脈沖），此信號輸入到PLC的晶體管輸入端，在程序中用高速計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)脈沖個數(shù)。然后根據(jù)齒數(shù)，每轉(zhuǎn)一圈行進(jìn)的距離，將此數(shù)據(jù)

80、和計(jì)數(shù)器數(shù)值進(jìn)行計(jì)算，得出總行進(jìn)距離，達(dá)到精確定位的目的。這樣只要預(yù)先在PLC里設(shè)定好距離即可定位了！這是編碼器的基本原理。具體編程時(shí)，PLC將脈沖指令發(fā)送給伺服控制器，讓電機(jī)旋轉(zhuǎn)，接著編碼器開始旋轉(zhuǎn)，發(fā)出脈沖信號，此信號反饋給PLC，PLC根據(jù)脈沖計(jì)數(shù)，得到當(dāng)前實(shí)際行進(jìn)的距離，達(dá)到設(shè)定距離后，切斷控制器信號，電機(jī)停止。</p><p>　　S7-200PLC根據(jù)要求發(fā)出高速脈沖和電機(jī)轉(zhuǎn)動的方向信號，經(jīng)過驅(qū)動器控

81、制伺服電機(jī)旋轉(zhuǎn)；電機(jī)旋轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換以后作為S7-200PLC 高速計(jì)數(shù)器的信號源，形成以S7-200PLC 為處理器的閉環(huán)控制系統(tǒng)。伺服電機(jī)、伺服驅(qū)動器和S7-200PLC之間采用屏蔽電纜連接。</p><p>　　4.3.2 組態(tài)軟件選擇</p><p>　　目前國內(nèi)外的工業(yè)組態(tài)軟件有:組態(tài)王，力控，MCGS，IFIX，Citect，

82、Intouch，CIMPLICITY等數(shù)百種。我國以組態(tài)王、力控為代表的監(jiān)控組態(tài)軟件已取得了優(yōu)良的業(yè)績，國內(nèi)組態(tài)軟件是在借鑒國際同類產(chǎn)品的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，起點(diǎn)明顯比國外高，發(fā)展速度也快，在可靠性和穩(wěn)定性方面，國內(nèi)外產(chǎn)品的水平不相上下。組態(tài)軟件為試驗(yàn)者提供了可視化監(jiān)控畫面，有利于試驗(yàn)者實(shí)時(shí)現(xiàn)場監(jiān)控。而且它能充分利用Windows的圖形編輯功能，方便地構(gòu)成監(jiān)控畫面，并以動畫方式顯示控制設(shè)備的狀態(tài)，具有報(bào)警窗口、實(shí)時(shí)趨勢曲線等，可便利的生成

83、各種報(bào)表。它還具有豐富的設(shè)備驅(qū)動程序和靈活的組態(tài)方式、數(shù)據(jù)鏈接功能。用戶在使用過程中通過比較得出結(jié)論：國外的組態(tài)軟件IFIX仍然是工業(yè)控制領(lǐng)域的功能最強(qiáng)大、影響最大和適用范圍最廣的[9]。</p><p>　?。?）IFIX的概述及結(jié)構(gòu)</p><p><b>　　①IFIX軟件介紹</b></p><p>　　IFIX是一套工業(yè)自動化軟件，為

84、用戶提供一個過程化窗口。為操作人員和應(yīng)用程序提供實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。</p><p>　?、贗FIX 的基本功能</p><p>　　數(shù)據(jù)采集：與工廠I/O設(shè)備直接通訊，通過I/O驅(qū)動程序，與I/O設(shè)備接口。</p><p>　　數(shù)據(jù)管理：處理、使用所取數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)管理包括過程監(jiān)視（圖形顯示），監(jiān)視控制，報(bào)警，報(bào)表，數(shù)據(jù)存檔。</p><p>　?。?）

85、IFIX的結(jié)構(gòu) </p><p><b>　?、倬W(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)圖</b></p><p>　　一臺運(yùn)行IFIX軟件的計(jì)算機(jī)稱為一個節(jié)點(diǎn)。IFIX用于連接工廠中的過程硬件（一般包括PLC、DCS、I/O設(shè)備），并從過程硬件中獲取數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，如圖16所示。</p><p><b>　　圖16 網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)圖</b></p>

86、<p><b>　?、贗/O驅(qū)動器</b></p><p>　　IFIX與PLC之間的接口稱為I/O驅(qū)動器，每一個I/O驅(qū)動器支持指定的硬件，I/O驅(qū)動器的功能，從I/O設(shè)備中讀（寫）數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)傳/輸至驅(qū)動鏡像表（DIT）中的地址中。</p><p>　　IFIX監(jiān)控開發(fā)軟件，是新型的工業(yè)自動控制系統(tǒng)，它以標(biāo)準(zhǔn)的工業(yè)計(jì)算機(jī)軟、硬件平臺構(gòu)成的集成系統(tǒng)取代

87、傳統(tǒng)的封閉式系統(tǒng)。經(jīng)過近十年的各種突發(fā)環(huán)境的真實(shí)考驗(yàn)，已有幾萬例工程在現(xiàn)場運(yùn)行，支持超過1500種硬件設(shè)備（包括PLC、總線設(shè)備、板卡、變頻器及儀表）。它不但實(shí)現(xiàn)對現(xiàn)場的實(shí)時(shí)監(jiān)測與控制，且在自動控制系統(tǒng)中完成上傳下達(dá)、組態(tài)開發(fā)的重要作用。尤其考慮三方面問題：畫面、數(shù)據(jù)、動畫。通過對監(jiān)控系統(tǒng)要求及實(shí)現(xiàn)功能的分析，采用IFIX對監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)。</p><p>　　4.3.3 IFIX與S7-200PLC的通信&l

88、t;/p><p>　　S7-200PLC通過OPC與IFIX通信，IFIX沒有PPI驅(qū)動，不能直接與S7-200PLC的串口通訊，然而IFIX帶有OPC服務(wù)器或客戶端的驅(qū)動指揮著軟件，通過OPC可以實(shí)現(xiàn)其之間的數(shù)據(jù)交換。</p><p>　　OPC（OLE for process Control）是一種嵌入式過程控制標(biāo)準(zhǔn)，是使用于服務(wù)器/客戶端連接的統(tǒng)一而開放的接口標(biāo)準(zhǔn)和技術(shù)規(guī)范。LOE是微軟

89、為Windows系統(tǒng)、應(yīng)用程序之間的數(shù)據(jù)交換而開發(fā)的技術(shù)。不同的供應(yīng)商的硬件在不同的標(biāo)準(zhǔn)和協(xié)議，OPC作為一種工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，提供了工業(yè)環(huán)境中信息交換的統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，數(shù)據(jù)用戶不用再為不同的廠商的數(shù)據(jù)源開發(fā)驅(qū)動和服務(wù)程序。</p><p>　　PC Access軟件是專用于S7-200PLC的OPC Sever 軟件，它向OPC客戶提供數(shù)據(jù)信息，可以與任何標(biāo)準(zhǔn)的OPC Client通訊。</p><p&g

90、t;　?。?）PC Access 軟件概貌 </p><p>　　S7-200PLC PC Access 的項(xiàng)目與 Windows Explorer 相似，以樹形結(jié)構(gòu)排列，因此用戶使用起來非常簡單便捷。OPC 客戶測試端以列表格。概貌如圖17所示。</p><p>　　圖17 軟件PC Access 概貌</p><p>　?。?）PC Access 軟件的使用&l

91、t;/p><p>　　完成一個項(xiàng)目的配置需要完成以下五個基本步驟：</p><p>　　①設(shè)置通訊訪問通道：鼠標(biāo)右鍵點(diǎn)擊 MicroWin 進(jìn)入 PG/PC Interface 設(shè)定通訊方式，此處通訊硬件以PC/PPI 電纜為例。PC Access 可與 Micro/WIN 共享通訊路徑，共享通訊路徑需要 STEP 7 /Micro/WIN V4.0 以上版本。 </p><

92、;p>　　②添加S7-200PLC CPU站點(diǎn)：用鼠標(biāo)右鍵點(diǎn)擊MicroWin進(jìn)入New PLC的右鍵菜單添加一個新的S7-200PLC站。最多可添加8個S7-200PLC。</p><p>　　③添加Folder：鼠標(biāo)右鍵點(diǎn)擊所添加的S7-200PLC的名稱，進(jìn)入New >Folder添加文件夾并命名。</p><p>　　④添加Item（條目）：鼠標(biāo)右鍵點(diǎn)擊文件夾，進(jìn)入 N

93、ew > Item 添加 PLC 內(nèi)存數(shù)據(jù)的條目并定義內(nèi)存數(shù)據(jù)。 </p><p>　　⑤用測試客戶端檢測配置及通訊的正確性：PC Access 軟件帶有內(nèi)置的測試客戶端，用戶可以方便的使用它檢測配置及通訊的正確性。將測試的條目拖拽到測試客戶端，然后點(diǎn)擊在線按鈕使之在線，如果配置及通訊正確，會顯示數(shù)據(jù)值，并在 Quality 一欄中顯示“good”，否則這一欄會顯示“bad”[10] 。 </p>

94、;<p>　　4.4 組態(tài)界面設(shè)計(jì)</p><p>　　4.4.1組態(tài)監(jiān)控界面</p><p>　　使用IFIX實(shí)現(xiàn)控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)仿真的基本方法,實(shí)際上這四個步驟并不是完全獨(dú)立的，常常是交錯進(jìn)行的。</p><p>　?。?）啟動“IFIX”項(xiàng)目管理器，選擇菜單“文件/新建項(xiàng)目”或單擊“新建”按鈕，彈出3種選項(xiàng)：單用戶項(xiàng)目、多用戶項(xiàng)目、客戶及項(xiàng)目。<

95、;/p><p>　?。?）單擊“單用戶項(xiàng)目”繼續(xù)，彈出“新建項(xiàng)目”對話框，輸入新建IFIX項(xiàng)目的路徑。</p><p>　?。?）單擊“下一步”繼續(xù)，彈出“新建項(xiàng)目向?qū)е睂υ捒?，在?xiàng)目名稱文本框中輸入項(xiàng)目的名稱，該項(xiàng)目名稱同時(shí)將被作為當(dāng)前工項(xiàng)目的路徑名稱。在項(xiàng)目描述文本框中輸入對該工程的描述文字。工程名稱長度應(yīng)小于32個字節(jié)，項(xiàng)目描述長度應(yīng)小于40個字節(jié)。單擊“完成”完成項(xiàng)目的新建。<

96、;/p><p>　?。?）將該項(xiàng)目設(shè)為新建工程，執(zhí)行“文件\設(shè)為當(dāng)前項(xiàng)目”命令；單擊“是”按鈕。</p><p><b>　　4.4.2組態(tài)變量</b></p><p><b>　?。?）添加邏輯連接</b></p><p>　　添加一個通訊驅(qū)動程序。右擊瀏覽窗口中的“變量管理”在快捷菜單中選擇“添加新

97、的驅(qū)動程序”選擇OPC,并單擊打開按鈕，所選擇的驅(qū)動程序?qū)@示在變量管理的子目錄下。</p><p>　?。?）添加變量組在“變量管理”中會出現(xiàn)OPC驅(qū)動程序的變量組鏈；OPC GROUPS。</p><p>　?。?）添加IFIX的OPC驅(qū)動：在OPC GROUPS點(diǎn)擊“新的程序連接”，將打開的OPC條目管理器。選擇“LOCAL”中的S7-200PLC.OPCServer,并點(diǎn)擊“過濾服

98、務(wù)器”，彈出“過濾標(biāo)準(zhǔn)”的對話框中，點(diǎn)擊下一步。</p><p>　　（4）建立IFIX OPC CLIENT出現(xiàn)已經(jīng)建立的S7200.OPCSERVER對話框，選擇已建的ITEMS，并“添出現(xiàn)加條目”，完成后。在OPC GROUPS下將S72000_OPCSERVER的鏈接，已經(jīng)添加的條目[11]。</p><p>　　創(chuàng)建組態(tài)畫面：打開圖形編輯器，并新建一個畫面。變量鏈接：右擊按鈕從快

99、捷鍵菜單中選擇“屬性”菜單項(xiàng)，打開“對象屬性”窗口，在“事件”框中選擇單選項(xiàng)“常數(shù)”并在編輯框輸入數(shù)值0.如圖18所示。</p><p>　　圖18 設(shè)置獨(dú)享屬性</p><p>　　在“目標(biāo)”框中選擇單選項(xiàng)“變量”，單擊旁邊的按鈕，打開“變量選擇”對話框，選擇變量，如圖19所示。</p><p><b>　　圖19 設(shè)置變量1</b><

100、/p><p>　　根據(jù)硬件和程序設(shè)計(jì)繪制組態(tài)畫面?？梢杂脠D庫插入需要的伺服電機(jī)、通訊電纜，繪制完成的畫面如圖20所示。</p><p>　　圖20 系統(tǒng)最終組態(tài)畫面</p><p>　　5 控制過程及結(jié)果分析</p><p>　　5.1 組態(tài)控制過程</p><p>　　在IFIX中速度輸入值設(shè)置一個對話框，可輸入4位數(shù)值

101、，然后將此對話框中的數(shù)據(jù)屬性設(shè)置成對應(yīng)PLC中的整形變量數(shù)據(jù)(如AIW0)。目的是當(dāng)在對話框中輸人數(shù)值后，電機(jī)就能達(dá)到該數(shù)值相應(yīng)速度 PLC輸出的模擬量是0～10V，對應(yīng)的整形數(shù)據(jù)是0～32000；而伺服電機(jī)的輸入模擬量是0～l0V。對應(yīng)的轉(zhuǎn)速是0-6500 RPM。由于這些數(shù)值都是理論上的，并且最終希望得到的還是輸入值對應(yīng)上轉(zhuǎn)速即可。因此，模擬量作為中間環(huán)節(jié)僅做參考。需要重點(diǎn)考慮的還是輸入值、整形數(shù)據(jù)和實(shí)際轉(zhuǎn)速。經(jīng)過直接實(shí)測，測試數(shù)據(jù)

102、如表2所示。</p><p>　　表2 直接實(shí)測數(shù)值表</p><p>　　由表2可看出，輸入值和實(shí)際轉(zhuǎn)速相差甚遠(yuǎn)，而唯一的辦法是通過運(yùn)算將輸入值轉(zhuǎn)換成能對應(yīng)上實(shí)際轉(zhuǎn)速的整形數(shù)值。但是還要首先找到最高轉(zhuǎn)速和最低轉(zhuǎn)速對應(yīng)的數(shù)值。通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，對應(yīng)關(guān)系如表3所示。</p><p>　　表3 實(shí)測對應(yīng)數(shù)值表</p><p>　　PLC的模擬量輸出和

103、伺服電機(jī)轉(zhuǎn)速輸出都是線性的，可以根據(jù)表3的數(shù)據(jù)列出直線方程組，計(jì)算出輸入值和整形數(shù)值之間的關(guān)系。</p><p>　　2711＝500×a+b</p><p>　　30854＝600×a+b</p><p>　　解得：a=5117；b=152</p><p>　　設(shè)實(shí)際轉(zhuǎn)速為x，整形數(shù)值為y；那么關(guān)系方程為：</p&

104、gt;<p>　　y=5117×x+152</p><p>　　通過PLC實(shí)現(xiàn)則需要用到數(shù)字運(yùn)算指令，具體如圖21所示。</p><p><b>　　圖21數(shù)字運(yùn)算指令</b></p><p>　　運(yùn)算后，將數(shù)據(jù)直接傳送到模擬量輸出口就完成了轉(zhuǎn)換工作(由于輸出口不接受雙字?jǐn)?shù)據(jù)；所以僅傳字?jǐn)?shù)據(jù)，VB2232即可)。如圖22

105、所示。</p><p>　　圖22模擬量輸出口傳送指令</p><p>　　這樣，就基本上完成了從對話框輸入速度值，經(jīng)過PLC運(yùn)算后輸出模擬量。伺服控制器接收到模擬量驅(qū)動伺服電機(jī)，伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)速等于輸入速度值的過程。通過經(jīng)過實(shí)際檢驗(yàn)，測得輸入值、整形數(shù)值、實(shí)際轉(zhuǎn)速如表4所示。</p><p>　　表4 運(yùn)算后的實(shí)測數(shù)值表</p><p>　　

106、5.2 系統(tǒng)結(jié)果分析</p><p>　　西門子CPU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。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(jī)界面，在PC機(jī)上開發(fā)出友好界面，使工作人員可以實(shí)時(shí)監(jiān)控，同時(shí)可實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)故障報(bào)警、打印報(bào)表。本文中的基于組態(tài)軟件的伺服電機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)正好充分利用了西門子PLC的這些特點(diǎn)能很好的實(shí)現(xiàn)論文要求的功能。</p&

107、gt;<p>　　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(shí)，可能對伺服控制器造成干擾。</p><p>　　此次是速度的PID控制，速度具有比較嚴(yán)重的滯后性，所以一般為了增強(qiáng)系統(tǒng)動態(tài)響應(yīng)，比例、積分、微分全投入使用，經(jīng)過多次參數(shù)設(shè)定比較后，當(dāng)設(shè)定比例系數(shù)P為10，積分時(shí)間I為0.15，微分時(shí)間

108、D為0.01時(shí)，系統(tǒng)能得到比較滿意的控制效果，最大超調(diào)只有兩度多，穩(wěn)定后能保持在1r/min以內(nèi).在位置控制中能精確控制電機(jī)的運(yùn)行軌跡，位置控制精度由旋轉(zhuǎn)編碼器每轉(zhuǎn)產(chǎn)生的脈沖數(shù)控制，系統(tǒng)一般采用的是增量式光電編碼器。</p><p>　　電機(jī)在調(diào)速供電方式下切換時(shí)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(shí)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。</p>