S7—200PLC在伺服電機位置控制中的應用

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

隨著制造業的需要以及電機原理的不斷深化，多種電機類型不斷涌現，并且不斷的向大功率、高性能以及微型化趨勢發展。電力電子技術、現代控制理論、微處理器、檢測技術等快速發展，使電力拖動系統有了飛躍進步，加之稀有材料的研制使得電機性能更加完善，結合高精度電力電子器件，實現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代化工業控制領域迫切需要解決的問題。

2 伺服控制系統概述

伺服控制系統是用來跟隨或者浮現某個過程的反饋控制系統，故又稱之為隨動系統[3]。在多數場合下，伺服系統專門指被控制量（系統的輸出量）是機械位移或者位移速度、加速度的反饋控制系統，主要的功能是輸出的機械位移準確的跟蹤輸入位移。伺服控制系統最早用于火箭的控制、船舶的駕駛等領域，經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。伺服控制系統的優勢是：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。伺服控制系統的主要指標有寬帶和精度。寬帶的規定是來源于系統的頻率響應特性，它能夠有效的反映出系統的跟蹤快速性；精度主要取決于所使用測量單元的精確度。

伺服控制系統類型較多，按照自動控制理論的角度上進行系統分析，伺服控制系統主要包括控制器、被控對象、執行環節、檢測環節以及比較環節等五部分組成。控制器主要是有計算機或者PID電路實現，作用是通過變換處理來自于比較元件輸出的偏差信號，實現控制設備按照指定要求動作。被控對象是系統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。執行環節主要是按照控制信號的要求實現其他能轉化為機械能從而驅動被控對象。檢測環節主要是被控對象的精確度檢測，包括傳感器和轉換電路。比較環節主要是實現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。

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

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是一種數字運算的電子系統，在工業環境的應用非常廣泛。通過可編程存儲器實現邏輯運算、順序控制、定時、計算和算數運算的執行，并通過模塊上的I/O接口實現命令輸入輸出，進而實現對機械設備的控制。

S7-200系列是西門子的一款PLC產品，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、存儲卡等構成。S7-200具有結構緊湊、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網絡、微機-PLC網絡，從而滿足大規模工程的需要。S7-200能夠在Windows系統環境下采用STEP7-Micro/WIN32軟件進行編程、調試、監控，方便且快捷。S7-200系列PLC有CPU221、CPU222、CPU224以及CPU226四種型號，更具應用規模不同選擇不同類型的S7-200，如小規模工程可選擇CPU221，其內部僅有6點數字量輸入點數和4點數字量輸出點數；大規模可選擇CPU226，其內部的輸入/輸出點數為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中內置脈沖發生器，能夠輸出脈沖串和脈沖寬度調制兩種脈沖發生模式，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為伺服控制器發送脈沖信號控制電機的轉速和目標位置，通過發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