伺服控制系統(tǒng)

用來(lái)精確地跟隨或復(fù)現(xiàn)某個(gè)過(guò)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(jī)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(jī)械位移（或轉(zhuǎn)角）準(zhǔn)確地跟蹤輸入的位移（或轉(zhuǎn)角）。伺服系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成和其他形式的反饋控制系統(tǒng)沒(méi)有原則上的區(qū)別。

伺服控制系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)

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(wèn)題；剛筋成品的尺寸和彎曲角度的精度均在±1；

2、轉(zhuǎn)速：高速性能好，一般額定轉(zhuǎn)速能達(dá)到2000～3000轉(zhuǎn)；

3、適應(yīng)性：抗過(guò)載能力強(qiáng)，能承受三倍于額定轉(zhuǎn)矩的負(fù)載，對(duì)有瞬間負(fù)載波動(dòng)和要求快速起動(dòng)的場(chǎng)合特別適用；

4、穩(wěn)定：低速運(yùn)行平穩(wěn)，低速運(yùn)行時(shí)不會(huì)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(chǎng)合；

5、及時(shí)性：電機(jī)加減速的動(dòng)態(tài)相應(yīng)時(shí)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(shuō)明。SINAMICS V80伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)包括伺服驅(qū)動(dòng)器和伺服電機(jī)兩部分，伺服驅(qū)動(dòng)器總是與其對(duì)應(yīng)的同等功率的伺服電機(jī)一起配套使用。SINAMICS V80伺服驅(qū)動(dòng)器通過(guò)脈沖輸入接口來(lái)接受從上位控制器發(fā)來(lái)的脈沖序列，進(jìn)行速度和位置的控制，通過(guò)數(shù)字量接口信號(hào)來(lái)完成驅(qū)動(dòng)器運(yùn)行的控制和實(shí)時(shí)狀態(tài)的輸出。

驅(qū)動(dòng)器上有一個(gè)脈沖設(shè)置旋轉(zhuǎn)開(kāi)關(guān)用來(lái)設(shè)計(jì)脈沖分辨率以及指令脈沖類型的。本設(shè)計(jì)選擇3，對(duì)應(yīng)的分辨率是10000。驅(qū)動(dòng)器的四個(gè)連接器X1、X2、X10和X20相應(yīng)的功能如圖3所示：

伺服電機(jī)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(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的方向信號(hào)，經(jīng)過(guò)驅(qū)動(dòng)器控制伺服電機(jī)旋轉(zhuǎn)；電機(jī)旋轉(zhuǎn)編碼器的輸出信號(hào)通過(guò)驅(qū)動(dòng)器形成A 相和B 相正交信號(hào)，經(jīng)信號(hào)轉(zhuǎn)換以后作為S7-200 高速計(jì)數(shù)器的信號(hào)源，形成以S7-200 為處理器的閉環(huán)控制系統(tǒng)。伺服電機(jī)、伺服驅(qū)動(dòng)器和S7-200PLC 之間采用屏蔽電纜連接。

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，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(dòng)時(shí)速度從一個(gè)比較低的值上升到一個(gè)比較高的值，下降段是電機(jī)制動(dòng)時(shí)速度從一個(gè)比較高的值一直減小到一個(gè)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(gè)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(gè)時(shí)，就以單段低速走，在每個(gè)脈沖子程序中都會(huì)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(jìn)和伺服電動(dòng)機(jī)的控制，西門子PLC內(nèi)置了脈沖輸出功能，并設(shè)置了相應(yīng)的控制指令，可以很好地對(duì)步進(jìn)和伺服電動(dòng)機(jī)進(jìn)行控制。

本節(jié)將重點(diǎn)講解西門子S7-200 PLC脈沖輸出功能和步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的控制，伺服電動(dòng)機(jī)的控制與步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的基本相同。S7-300/400 PLC中也可以通過(guò)FM模塊實(shí)現(xiàn)步進(jìn)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(shí)，檢查用于脈沖輸出（Q0.0或Q0.1）的特殊存儲(chǔ)器位（SM），然后執(zhí)行特殊存儲(chǔ)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(chǔ)器

每個(gè)PTO/PWM發(fā)生器都有一個(gè)控制字節(jié)（8位）、一個(gè)脈沖計(jì)數(shù)值（無(wú)符號(hào)的32位數(shù)值）、一個(gè)時(shí)間周期和脈寬值（無(wú)符號(hào)的16位數(shù)值）。這些值都放在特定的特殊存儲(chǔ)區(qū)（SM），如表9-4所示。執(zhí)行PLS指令時(shí)，S7-200讀這些特殊存儲(chǔ)器位（SM），然后執(zhí)行特殊存儲(chǔ)器位定義的脈沖操作，即對(duì)相應(yīng)的PTO/PWM發(fā)生器進(jìn)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(shí)，PTO/PWM發(fā)生器控制輸出，并禁止輸出點(diǎn)的正常使用，輸出波形不受輸出映像寄存器狀態(tài)、輸出強(qiáng)制、執(zhí)行立即輸出指令的影響；在Q0.0或Q0.1位置沒(méi)有使用PTO或PWM功能時(shí)，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(jié)束狀態(tài)，即決定脈沖輸出波形從高電平或低電平開(kāi)始和結(jié)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(shí)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(lái)指示脈沖串輸出是否完成?？稍诿}沖串完成時(shí)啟動(dòng)中斷程序，若使用多段操作，則在包絡(luò)表完成時(shí)啟動(dòng)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(guò)控制脈寬和脈沖的周期，實(shí)現(xiàn)控制任務(wù)。

步進(jìn)電動(dòng)機(jī)在起動(dòng)和停止時(shí)有一個(gè)加速及減速過(guò)程，且加速度越小則沖擊越小，動(dòng)作越平穩(wěn)。所以，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)工作時(shí)一般要經(jīng)歷這樣一個(gè)變化過(guò)程：加速→恒速（高速）→減速→恒速（低速）→停止。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速與脈沖頻率成正比，所以輸入步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的脈沖頻率也要經(jīng)過(guò)一個(gè)類似變化過(guò)程。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)脈沖頻率變化規(guī)律如圖9-5所示。

1、通過(guò)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?，可以用這些指令在應(yīng)用程序中對(duì)速度和位置進(jìn)行動(dòng)態(tài)控制。

本小節(jié)通過(guò)PLC控制一個(gè)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的應(yīng)用，說(shuō)明利用STEP7-Micro/WIN位置控制向?qū)?lái)實(shí)現(xiàn)PTO控制步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的具體操作過(guò)程。