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基于S7-200伺服电机控制系统设计
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基于S7-200伺服电机控制系统设计
1 概述
1.1伺服电机控制技术现状
从70年代后期到80年代初期，随着微处理器技术、大功率高性能半导体功率器件技术和电机永磁材料制造工艺的发展及其性能价格比的日益提高，交流伺服技术——交流伺服电机和交流伺服控制系统逐渐成为主导产品。交流伺服驱动技术已经成为工业领域实现自动化的基础技术之一，并将逐渐取代直流伺服系统。
交流伺服系统按其采用的驱动电动机的类型来分，主要有两大类：永磁同步（SM型）电动机交流伺服系统和感应式异步（IM型）电动机交流伺服系统。其中，永磁同步电动机交流伺服系统在技术上已趋于完全成熟，具备了十分优良的低速性能，并可实现弱磁高速控制，拓宽了系统的调速范围，适应了高性能伺服驱动的要求。并且随着永磁材料性能的大幅度提高和价格的降低，其在工业生产自动化领域中的应用将越来越广泛，目前已成为交流伺服系统的主流。感应式异步电动机交流伺服系统由于感应式异步电动机结构坚固，制造容易，价格低廉，因而具有很好的发展前景，代表了将来伺服技术的方向。但由于该系统采用矢量变换控制，相对永磁同步电动机伺服系统来说控制比较复杂，而且电机低速运行时还存在着效率低，发热严重等有待克服的技术问题，目前并未得到普遍应用。 系统的执行元件一般为普通三相鼠笼型异步电动机，功率变换器件通常采用智能功率模块IPM。为进一步提高系统的动态和静态性能，可采用位置和速度闭环控制。三相交流电流的跟随控制能有效地提高逆变器的电流响应速度，并且能限制暂态电流，从而有利于IPM的安全工作。速度环和位置环可使用单片机控制，以使控制策略获得更高的控制性能。电流调节器若为比例形式，三个交流电流环都用足够大的比例调节器进行控制，其比例系数应该在保证系统不产生振荡的前提下尽量选大些，使被控异步电动机三相交流电流的幅值、相位和频率紧随给定值快速变化，从而实现电压型逆变器的快速电流控制。电流用比例调节，具有结构简单、电流跟随性能好以及限制电动机起制动电流快速可靠等诸多优点
1.2伺服调速调速控制技术发展趋势
由于现代微电子技术的不断进步以及电力电子电路良好的控制特性，使几乎所有新的控制理论，控制方法都得以在交流调速装置上应用和尝试。现代控制理论不断向交流调速领域渗透，特别是微型计算机及大规模集成电路的发展，使得交流电动机调速技术正向高频化、数字化和智能化方向发展。
近年来电力电子装置的控制技术研究十分活跃，各种现代控制理论，如自适应控制和滑模变结构控制，以及智能控制和高动态性能控制都是研究的热点。这些研究必将把交流调速技术发展到一个新的水平。控制系统的软化对CPU芯片提出了更高的要求，为了实现高性能的交流调速，要进行矢量的坐标变换，磁通矢量的在线计算和适应参数变化而修正磁通模型，以及内部的加速度、速度、位置的重叠外环控制的在线实时调节等，都需要
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存储多种数据和快速实时处理大量信息。可以预见，随着计算机芯片容量的增加和运算速度的加快，交流调速系统的性能将得到很大的提高。
当今科学的快速发展使得各学科之间已没有严格的界线，它们相互影响，相互渗透，从发展的角度来看，把神经网络、模糊控制、滑模变结构控制等现代控制理论用于伺服电机调速技术有着极其重要的意义和广阔的前景，可以认为这将是伺服电机调速技术的发展方向之一。此外，控制领域的其他新技术如现场总线、自适应控制、遗传算法等，也将引入到交流传动领域，给伺服电机调速的控制技术带来重大的影响。
1.3伺服电机调速概况
1.3.1 本课题研究意义
20世纪80年代以来，随着集成电路、电力电子技术和交流可变速驱动技术的发展，永磁交流伺服驱动技术有了突出的发展，各国著名电气厂商相继推出各自的交流伺服电动机和伺服驱动器系列产品并不断完善和更新。交流伺服系统已成为当代高性能伺服系统的主要发展方向，使原来的直流伺服面临被淘汰的危机。90年代以后，世界各国已经商品化了的交流伺服系统是采用全数字控制的正弦波电动机伺服驱动。交流伺服驱动装置在传动领域的发展日新月异。
S7-200，Wincc 是由国际知名的自动化公司研发的，完全是为了满足工业自动化领域的应用的PLC和组态。伺服系统运用的行业是一个自动化程度非常高的行业，这些系统都存在可靠性要求高、监控设备和对象多而复杂、实时性要求高等特点。随着现伺服技术和远程控制日益成熟信息化要求的提高，基于现场总线的控制系统将为电力行业自动化系统提供更好的选择。目前制约基于PLC的控制伺服系统在工业应用上的主要问题，主要包括以下几个方面：支持PLC控制伺服系统的智能设备造成初期投资的提高；系统结构如何变化，如何构筑一个基于PLC伺服的控制系统；通讯是否可靠；设备选型的局限性等对于用户的这些疑问等。
1.3.2 本课题系统基本结构
伺服调速系统的主要组成部分如图1-1所示。其中伺服电机是受控对象和传动装置。伺服驱动器将具有一定电压、电流和频率的电源能量变换为具有可调电压、可调电流或可调频率电源能量，起电能变换和控制作用，以检验和变换反馈信号。在伺服调速系统中主要反馈量有电压、电流、转速、转矩、磁通和转子位置角等。控制层根据给定信号和反馈信号产生所需要的控制指令和偏差信号。调节装置用于按照一定规律控制变流装置能量的流动，通过硬件或软件产生满足控制要求的算法或校正量，以提高或校正系统的静态性能。在要求不很高的场合，没有反馈装置而采用开环控制，但前提是电机本身应具有足够的稳定性和可调性。
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图 1-1伺服机调速系统的基本结构图
2伺服电动机调速原理
随着伺服电动机在国内外市场上日益扩大应用。我国对于伺服电机的品种不断扩大，产品设计也不断改进。为适应不同用途、不同工作条件和使用环境等各种要求，专用系列和改型系列伺服电机产品在将来将迅速发展。
2.1 伺服电机技术
2.1.1 伺服电机技术介绍
伺服电机可使控制速度，位置精度非常准确，可以将电压信号转化为转矩和转速以驱动控制对象。伺服电机转子转速受输入信号控制，并能快速反应，在自动控制系统中，用作执行元件，且具有机电时间常数小、线性度高、始动电压等特性，可把所收到的电信号转换成电动机轴上的角位移或角速度输出。分为直流和交流伺服电动机两大类，其主要特点是，当信号电压为零时无自转现象，转速随着转矩的增加而匀速下降。 2.1.2.与其电机相比较伺服电机的优点：
伺服电机的主要特点是电机转子转速受输入型号控制，实现电机转速或被控对象输出的控制。此外，还具有以下优点：
1、精度：实现了位置，速度和力矩的闭环控制；克服了步进电机失步的问题； 2、转速：高速性能好，一般额定转速能达到2000～3000转；
3、适应性：抗过载能力强，能承受三倍于额定转矩的负载，对有瞬间负载波动和要求快速起动的场合特别适用；
4、稳定：低速运行平稳，低速运行时不会产生类似于步进电机的步进运行现象。适用于有高速响应要求的场合；
5、及时性：电机加减速的动态相应时间短，一般在几十毫秒之内； 6、舒适性：发热和噪音明显降低。。
与其他电机相比，利用伺服电机控制系统进行调速控制有许多优点，如节能，容易实现对现有电动机的调速控制，可以实现大范围的高效连续调速控制，容易实现电动机的正反转切换，可以进行高频度的起、停、运转，可以进行电气制动，
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