劉凱

摘要：本文通過基于S7-200 PLC對伺服電機位置控制進行了闡述，分析了三種控制方式，并比較在不同的場合下哪種方式更適合，對實際的工程應用具有一定的借鑒意義。

關鍵詞：S7-200；伺服電機；位置

中圖分類號：TP273 文獻標識碼：A 文章編號：1007-9416（2018）01-0017-01

1 引言

隨著制造業(yè)的需要以及電機原理的不斷深化，多種電機類型不斷涌現(xiàn)，并且不斷的向大功率、高性能以及微型化趨勢發(fā)展。電力電子技術(shù)、現(xiàn)代控制理論、微處理器、檢測技術(shù)等快速發(fā)展，使電力拖動系統(tǒng)有了飛躍進步，加之稀有材料的研制使得電機性能更加完善，結(jié)合高精度電力電子器件，實現(xiàn)精確的伺服電機位置控制并非難題[1-2]。目前，在極力提高伺服電機位置控制的精確性的同時，如何加快控制速度是現(xiàn)代化工業(yè)控制領域迫切需要解決的問題。

2 伺服控制系統(tǒng)概述

伺服控制系統(tǒng)是用來跟隨或者浮現(xiàn)某個過程的反饋控制系統(tǒng)，故又稱之為隨動系統(tǒng)[3]。在多數(shù)場合下，伺服系統(tǒng)專門指被控制量（系統(tǒng)的輸出量）是機械位移或者位移速度、加速度的反饋控制系統(tǒng)，主要的功能是輸出的機械位移準確的跟蹤輸入位移。伺服控制系統(tǒng)最早用于火箭的控制、船舶的駕駛等領域，經(jīng)過多年的研究和推廣，在自動車床天線位置控制等領域也逐漸應用廣泛。伺服控制系統(tǒng)的優(yōu)勢是：一是能用小功率指令信號來控制大功率負載；二是當無法使用機械連接進行控制時，可以通過輸入軸控制遠距離輸出軸而實現(xiàn)遠距同步傳動；三是通過輸出機械位移來精準的跟蹤電信號，如記錄或者指示儀表等。伺服控制系統(tǒng)的主要指標有寬帶和精度。寬帶的規(guī)定是來源于系統(tǒng)的頻率響應特性，它能夠有效的反映出系統(tǒng)的跟蹤快速性；精度主要取決于所使用測量單元的精確度。

伺服控制系統(tǒng)類型較多，按照自動控制理論的角度上進行系統(tǒng)分析，伺服控制系統(tǒng)主要包括控制器、被控對象、執(zhí)行環(huán)節(jié)、檢測環(huán)節(jié)以及比較環(huán)節(jié)等五部分組成?？刂破髦饕怯杏嬎銠C或者PID電路實現(xiàn)，作用是通過變換處理來自于比較元件輸出的偏差信號，實現(xiàn)控制設備按照指定要求動作。被控對象是系統(tǒng)所需要控制的參量進而使控制設備具有最佳的控制效果，主要的控制參量有位移、加速度、力等。執(zhí)行環(huán)節(jié)主要是按照控制信號的要求實現(xiàn)其他能轉(zhuǎn)化為機械能從而驅(qū)動被控對象。檢測環(huán)節(jié)主要是被控對象的精確度檢測，包括傳感器和轉(zhuǎn)換電路。比較環(huán)節(jié)主要是實現(xiàn)輸入信號與反饋信號進行表分析，從而獲取輸入與輸出之間的偏差。

伺服系統(tǒng)按照其所驅(qū)動元件的類型分為機電驅(qū)動伺服系統(tǒng)、液壓伺服系統(tǒng)和氣動伺服系統(tǒng)。本文是對電機位置控制，所以采用的是機電驅(qū)動伺服控制系統(tǒng)。

3 基于S7-200的PLC伺服電機位置控制的方案選擇

3.1 S7-200 PLC組成原理

PLC是一種數(shù)字運算的電子系統(tǒng)，在工業(yè)環(huán)境的應用非常廣泛。通過可編程存儲器實現(xiàn)邏輯運算、順序控制、定時、計算和算數(shù)運算的執(zhí)行，并通過模塊上的I/O接口實現(xiàn)命令輸入輸出，進而實現(xiàn)對機械設備的控制。

S7-200系列是西門子的一款PLC產(chǎn)品，它能夠提供4種基本單元和6種不同型號的擴展單元，系統(tǒng)主要是由基本單元、擴展單元、編程器、存儲器、文本顯示、存儲卡等構(gòu)成。S7-200具有結(jié)構(gòu)緊湊、擴展性好、指令功能強大、且價格低廉，是目前市場較為理想的一種小型控制器，通過組合，S7-200能夠組成PLC-PLC網(wǎng)絡、微機-PLC網(wǎng)絡，從而滿足大規(guī)模工程的需要。S7-200能夠在Windows系統(tǒng)環(huán)境下采用STEP7-Micro/WIN32軟件進行編程、調(diào)試、監(jiān)控，方便且快捷。S7-200系列PLC有CPU221、CPU222、CPU224以及CPU226四種型號，更具應用規(guī)模不同選擇不同類型的S7-200，如小規(guī)模工程可選擇CPU221，其內(nèi)部僅有6點數(shù)字量輸入點數(shù)和4點數(shù)字量輸出點數(shù)；大規(guī)?？蛇x擇CPU226，其內(nèi)部的輸入/輸出點數(shù)為24/16點，共40個I/O口，能夠連接7個擴展模塊，可擴展至248點數(shù)字量I/O或者35路模擬量I/O。S7-200系列PLC能夠提供多種位置控制方式，如通過高速脈沖輸出控制方式、EM253位置控制模塊、串口通信控制方式。

3.2 控制方案探討

在S7-200系列中的CPU224中內(nèi)置脈沖發(fā)生器，能夠輸出脈沖串和脈沖寬度調(diào)制兩種脈沖發(fā)生模式，能夠輸出100kHz頻率的脈沖，所以能夠使用高速脈沖輸出控制方式，通過生成50%的占空比實現(xiàn)對伺服電機的速度和位置的控制。通常情況下伺服電機工作在“+”方向模式下，PLC為伺服控制器發(fā)送脈沖信號控制電機的轉(zhuǎn)速和目標位置，通過發(fā)送方向信號控制電機運作方向，并且電機行程路線上安裝左限位開關、右限位開關以及參考點位置開關，通過實際的編程實現(xiàn)限位和參考點的尋找。

EM253位置控制模塊是PLC中特殊的模塊，通過生成的脈沖串