【文章內(nèi)容簡介】 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?，所以伺服電機就朝著正轉(zhuǎn)磁場的方向轉(zhuǎn)動起來，隨著信號的增強，磁場接近圓形，此時正轉(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)磁場的轉(zhuǎn)向相反，因而產(chǎn)生的合成力矩方向也相反，伺服電機將反轉(zhuǎn)。若控制信號消失，只有勵磁繞組通入電流，伺服電機產(chǎn)生的磁場將是脈動磁場，轉(zhuǎn)子很快地停下來。鼠籠轉(zhuǎn)子(或者是非磁性杯形轉(zhuǎn)子)所以會轉(zhuǎn)動起來是由于在空間中有一個旋轉(zhuǎn)磁場。旋轉(zhuǎn)磁場切割轉(zhuǎn)子導條，在轉(zhuǎn)子導條中產(chǎn)生感應(yīng)電勢和電流，轉(zhuǎn)子導條中的電流再與旋轉(zhuǎn)磁場相互作用就產(chǎn)生力和轉(zhuǎn)矩，轉(zhuǎn)矩的方向和旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)向相同，于是轉(zhuǎn)子就跟著旋轉(zhuǎn)磁場沿同一方向轉(zhuǎn)動。這就是交流伺服電動機的簡單工作原理。（1）位置控制模式下的運轉(zhuǎn)：位置控制的根本任務(wù)就是使執(zhí)行機構(gòu)對位置指令的精確跟蹤，被控量一般是負載的空間位移，當給定量隨機變化時，系統(tǒng)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實際所產(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，控制交流伺服電機的運行。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，來控制伺服機的運行的步數(shù)及運行方向。（2）速度控制模式下的運轉(zhuǎn)：速度控制的目的就是要讓伺服電機根據(jù)控制要求最快速的進行動作響應(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)。Srvon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，對伺服電機的速度進行控制。以完成速度控制要求[6]。（3）增益調(diào)整：在使用伺服電機的場合，要求電機按照指令動作，不得延遲，不得有誤。要保證這點，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。負載慣量必須至少是電機慣量的三倍，但是不能大于20倍。機器（電機負載）和它的耦合連接必須有較高的機械鋼性。①齒輪及其他設(shè)備的間隙很?。虎谄呢撦d必須小于額定轉(zhuǎn)矩的1/4；③粘性的負載轉(zhuǎn)矩必須小于額定轉(zhuǎn)矩的1/4；④任何振蕩不得導致機器（電機負載）的機械損壞；⑤兩次反時針轉(zhuǎn)動，接著兩次順時針轉(zhuǎn)動，決不能成任何問題。②：增益調(diào)整與機械剛性之間的關(guān)系。為了增加機械剛性：①機械（電機負載）必須牢固地固定在堅硬的基礎(chǔ)上；②電機與機器之間的耦合連接必須是專門設(shè)計為伺服電機用的高剛性；③同步帶必須有較大的寬度，同步帶的張力必須根據(jù)電機允許軸向負載作相應(yīng)的調(diào)整；④齒輪必須有較小的間隙。機器的固有頻率（諧振）大大的影響伺服電機的增益調(diào)整，如果機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。 伺服驅(qū)動器 控制伺服電機的一種控制器，其作用類似于變頻器作用于普通交流馬達，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進行控制，實現(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。伺服電機控制系統(tǒng)框圖如圖6所示。圖6 伺服電機控制系統(tǒng)框圖由圖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S7200PLC的編程軟件step7設(shè)計梯形圖程序，并下載到PLC控制器中，實現(xiàn)遠程基于S7200PLC對伺服驅(qū)動器控制，進而實現(xiàn)對電機的速度、位置控制[7]。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(qū)動器專用線將控制器命令傳達給伺服驅(qū)動器，同時接受伺服驅(qū)動器的狀態(tài)并實現(xiàn)實時反饋信息?？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，實現(xiàn)伺服驅(qū)動器的自動控制。伺服電機調(diào)速系統(tǒng)由伺服驅(qū)動器、電動機及其控制系統(tǒng)構(gòu)成。伺服調(diào)速系統(tǒng)通過改變異步電動機定子的供電源頻率，從而改變電動機同步轉(zhuǎn)速，其調(diào)速特性基本上保持了伺服電動機固有的機械特性硬度高、轉(zhuǎn)差率小的特點，同時具有效率高、調(diào)速范圍寬、精度高、調(diào)速平滑等優(yōu)點。伺服調(diào)速工作原理圖如圖7所示。圖7 伺服調(diào)速工作原理框圖由公式n=60f(1s)/p可知，改變電機頻率和極數(shù)均可改變電機的轉(zhuǎn)速，因此改變電動機頻率就可以實現(xiàn)調(diào)速運轉(zhuǎn)。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。 圖8 伺服驅(qū)動器工作原理圖由公式可知，改變定子電源頻率可以改變同步轉(zhuǎn)速和電機的轉(zhuǎn)速。又由電動機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 U=E=C1f1 （1）式中，C1為常數(shù)。由此有 （2）由公式（2）可知，若外加電壓不變，則磁通隨頻率改變而改變。一般電機在設(shè)計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還要降壓，這就要求頻率與電壓能協(xié)調(diào)控制。閉環(huán)控制主要由三個部分構(gòu)成，即可編程邏輯控制器件PLC、驅(qū)動器和電機。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，隨后將電機的轉(zhuǎn)速反饋給PLC，經(jīng)比較后輸出給驅(qū)動器從而實現(xiàn)無靜差調(diào)速。如圖9所示。 圖9 速度閉環(huán)控制的機構(gòu)控制構(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來實現(xiàn)。速度采集：S7200PLC具有高速脈沖采集功能，采集頻率可以達到30KHz，共有6個高速計數(shù)器（HSC0~HSC5）工作模式有12種。在固定時間間隔內(nèi)采集脈沖差值，通過計算既可以獲得電動機的當前轉(zhuǎn)速。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 （3）其中為采樣周期內(nèi)接受到的脈沖數(shù)。轉(zhuǎn)速的單位為。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)速度使其能達到設(shè)定要求[8]。這里用PLC的高速脈沖輸出功能和交流伺服電機的位置控制模式來設(shè)計工作臺的驅(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，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)，電機方向控制(SIGN)，計數(shù)器清零(CL)與脈沖靜止輸入(INH)4個輸人口，伺服準備結(jié)束(SRDY)，伺服警報(ALM)與定位結(jié)束(COIN)3個輸出口。，其他接到普通I/O口。工作臺兩軸各有2個限位開關(guān)連接到PLC輸入口和驅(qū)動器的正負限位輸入(CWL和CCWL)中，作為工作臺保險和復(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。圖10 外部接線圖 軟件設(shè)計編程設(shè)計時， 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S7200PLC編寫的梯形圖程序如下，符號表的定義表1所示。表1 符號定義表符號地址注釋1啟動使能伺服電機開始運行2停止使能伺服電機停止運行3模擬量輸入AIW0模擬量輸入控制端口4模擬量輸出AQW0模擬量輸出控制端口5參數(shù)AVW310運算參數(shù)6參數(shù)BVD2230運算參數(shù)主程序塊DB1，其部分程序截圖如圖11所示。圖11 主程序部分程序程序分析：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實現(xiàn)模擬量到數(shù)字量的轉(zhuǎn)換，這是為了方便PLC計算，因為PLC在運算時只能處理數(shù)字量；為了便于利用組態(tài)軟件觀察。系統(tǒng)上電運行時，程序順序掃描，在掃描到SBR_0時，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進行運算。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。圖12 SBR_0部分程序4 Step7編程軟件概述及組態(tài)界面的設(shè)計 S7200PLC的概述S7200PLC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 S7200PLC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)。由于它極強的的通信功能，在大型網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)中也能充分發(fā)揮其功能。S7200PLC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，易于掌握，操作方便，內(nèi)置有高速計數(shù)器、高速輸出、PID控制