基于S7-200Smart PLC的高性能交流伺服控制系統設計

丁惠忠

(沙洲職業工學院 電子信息工程系， 江蘇 張家港 215600)

0 引言

近些年隨著微電子技術、稀土永磁技術、傳感器技術、電機控制策略及電力電子技術的不斷發展，全數字化的高性能交流伺服控制系統的運用與研究也逐步增多，由于伺服控制系統是當前機械系統的主要的執行部分，它的優劣程度直接關乎到整體機械系統的性能[1]。高性能交流伺服控制系統隨著微處理器的急速發展及矢量控制技術的產生達到可逐漸代替直流伺服控制系統的程度，被越來越多的國內外學者研究并開發利用，該技術主要運用于雷達、機器人、火炮及數控機床等高精準定位需求的領域[2-3]。以往的伺服控制系統所使用的控制器雖結構簡單，但其在交流伺服控制系統的參數發生改變時、交流電動機或被控制對象具備較高的非線性特點時或交流伺服控制系統遭受不同負載干擾時等狀況下控制效果較低，且精度差，響應效率低下，無法達到高性能交流伺服控制系統的高精度需求[4]。

S7-200Smart PLC為西門子公司所研發的高性價比小型PLC產品，與以往的控制器相比，該產品具有超高的處理效率、超迅速的調速及定位功能等特點，CPU模塊能夠支持多種輸出方式和運動模式，控制性能優越，便于固件升級與程序更新，運用范圍較廣[5-6]。

因此本文設計基于S7-200Smart PLC的高性能交流伺服控制系統，提升當前機械系統中伺服控制系統的精度與性能。

1 高性能交流伺服控制系統設計

1.1 系統構成及原理

由光電傳感器、西門子系統S7-200Smart PLC、伺服驅動器、編碼器、伺服電機、觸摸屏及電磁閥等構成基于S7-200Smart PLC的高性能交流伺服控制系統,如圖1所示。

將S7-200Smart PLC作為整體系統的中間控制裝置，連接光電傳感器與伺服驅動器，并通過與電子觸摸屏的交互實現系統的控制功能。系統通電之后，由光電傳感器[7]對輸入信號實行檢測，如果檢測到有信號輸入，則將任務傳輸到PLC，通過編碼器編寫PLC程序后，采用觸摸屏控制將編寫好的PLC程序對應傳輸到伺服驅動器，由伺服驅動器執行尋原點操作，從初始位置向檢測裝置移動，并在伺服驅動下執行對應任務，執行結束后伺服驅動器回到初始位置，待下次PLC傳輸任務時，繼續以上述步驟循環執行不同任務，實現系統的控制。

圖1 系統構成圖

1.2 系統硬件設計

1.2.1 主控制器PLC

PLC為連接系統中光電傳感器與伺服驅動器的中間裝置，屬于一種工業計算機，其特征為操作簡單、便于編程、模塊化結構、較高的抗干擾性、較高的可靠性等，它能夠代替繼電器的定時、順位控制、計數及邏輯等功能，實現系統的可編程控制[8]。本文系統的控制主要表現在數字量方面，以輸入輸出信號的類別、控制需求及數量為依據，并按照I/O點數20%～30%的備用量原則，選取CPU型號為ST50、具備的數字輸入點與輸出點分別為36個和24個的西門子S7-200Smart PLC。PLC的外部接線情況,如圖2所示。

圖2 PLC外部接線圖

組成閉合電路為輸入輸出信號接線的主要目的。數字量輸入均為24 V直流信號，其輸入支持源型與漏型，也就是同NPN型與PNP型傳感器所輸出的傳感器信號相對應的類型[9-10]。對于電源為24 V的傳感器，其PNP型輸出為24 V，NPN型輸出為0 V。接入傳感器到PLC，如果選擇PNP型輸出，那么PLC的輸入端COM應連接0 V；如果選擇NPN型輸出，那么PLC的輸入端COM應連接24 V。因PLC的全部輸入點均通用同一個公共端，故所選用的傳感器應為同一類別，即PNP型或者NPN型[11]。在此本文系統選用NPN型傳感器，也就是在PLC的公共端連接24 V。

1.2.2 伺服驅動器

伺服驅動器采用富士UG221H-SR4，其接口包括：編碼器信號連接器CN2、主電源控制電源輸入連接器CNA、伺服電機動力連接器CNC、外部再生電阻與DC電抗器連接器CNB、通用輸入輸出連接器CN1。控制電源端子與主電源端子CNA連接單相AC220V電源，同時具備濾波與保護電路[12]；伺服電機的閉環控制由AB相增量式編碼器連接CN2接口組成；伺服電機的控制通過連接上位控制器(S7-200Smart PLC)與CN1接口實現。伺服驅動器電路連接情況,如圖3所示。

圖3 伺服驅動器電路圖

設定位置控制模式為伺服驅動器的運行模式，伺服電機的旋轉位移和旋轉速率分別受脈沖數量與脈沖頻率的影響[13]。

1.2.3 PLC控制電路

作為伺服驅動器上位控制器的S7-200Smart PLC，其CPU ST50模塊的三個輸出端子P0、P1、P3能夠提供三軸100 kHz高速脈沖輸出，依次向三臺伺服驅動器的CN1-28引腳接入，向驅動器CN1-26引腳接入方向控制信號P2、P7、P10。向PLC的B0端子接入零點定位行程開關SQ1，向PLC的B1和B2端子依次接入電機正反轉行程限位開關SQ2和SQ3。依次向B3與B4端子接入編碼器的A、B相脈沖輸入，伺服電機編碼器的反饋位移量通過PLC的急速計數器HSC9計算，形成閉環控制系統，PLC與伺服驅動器連接電路圖,如圖4所示。

圖4 PLC與伺服驅動器連接電路圖

因伺服驅動的控制信號為+5 V，而系統所采用的PLC輸出信號為+24 V，故應串聯一只2 kΩ的電阻在伺服驅動器與PLC之間，令輸入信號近似+5 V，達到分壓效果。同時因為系統PLC選擇NPN型傳感器連接，所以伺服驅動器與PLC間需以共地連接的方式實現回路。

1.3 系統軟件設計

1.3.1 PLC程序設計

S7-200Smart PLC的CPU ST50模塊的高速脈沖輸出功能由STEP 7-Micro/WIN SMART的設置向導組態作為控制輸出或者PWM輸出，提供簡便的解決方式實現伺服電機的位置與速度控制，能夠達到小型機械裝置的準確定位要求[14]。

(1) PLC程序編寫

PLC控制器在實現外部接線后，可對其實行編程調試。本文系統的控制方式有自動與手動控制兩種，其中在檢測單獨設備性能時更多應用手動控制，且通過在系統程序中設定聯鎖保護，防止手動控制時產生碰撞等事故；自動控制能夠劃分系統為伺服運行程序模塊、主程序模塊、手動控制模塊及次程序模塊，并依次對不同模塊的運行動態程序進行編寫，在主程序塊內體現出聯鎖關系[15-16]。編寫時應特別留意的是運作時若出現急停等設備報警現象時，解決方式應以提升控制效果且降低人力干預為前提，迅速處理故障問題。

(2) PLC主程序

在PLC主程序中調用手動控制模塊MAN、驅動器使能模塊DIS及初始化模塊CTRL，控制向導PLC主程序圖，如圖5所示。

圖5 控制向導PLC主程序圖

應首先調用初始化模塊，否則將產生PLC脈沖輸出，且電機無法常規運行[17]；電機的運行方向與速度分別通過手動控制模塊內的Dir與Speed控制，程序編寫時僅需通過MOV命令設定各個時刻的各種方向信號與速度值，系統需以800個脈沖實現伺服電機一周的旋轉，在系統開啟時伺服電機的運行速度為4圈/秒，也就是3 200個脈沖/秒，故在此設定VD116為3200。

1.3.2 軟件編程設計

系統通過順位控制設計方式單獨設計一個子程序，同時向另一個子程序內單獨放入伺服控制的對應程序塊，系統軟件功能模塊包括初始化運動軸功能塊、運動軸移動功能塊、啟用功能塊及找尋參考點功能塊等。詳細程序流程,如圖6所示。

圖6 詳細程序流程圖

可以看出完成系統初始化后，通過光電傳感器檢測到信號后，調用伺服運行控制子程序，并在伺服控制初始化后自動尋找初始位置，依據標志位同不同軸坐標，調用伺服功能模塊并驅動伺服電機執行對應的控制任務。

基于以上流程，進行詳細程序的關鍵代碼設計，如圖7所示。

圖7 詳細程序的關鍵代碼設計

2 仿真實驗分析

為檢驗本文系統的合理性及性能，通過Matlab軟件創建本文系統的仿真系統，隨機選取一臺伺服電機作為實驗對象，并采用本文系統對此實驗伺服電機進行控制，測試控制過程中本文系統的控制效果，實驗伺服電機參數如表1所示。

表1 實驗伺服電機參數

設定本文系統的位置命令參考值為4 rad，通過本文系統控制實驗伺服電機，檢驗控制過程中本文系統的速度響應及轉角位置響應情況，如圖8所示。

(a) 速度響應情況

(b) 位置響應情況

通過圖8能夠看出，本文系統的整個運行過程為前高速后低速的過程，同時前后高低速度過渡時平緩無振蕩，應對位置命令時可在0.9 s內完成，響應速度較快，且未發生超調現象，由此說明，本文系統響應能力好、性能優越。

分別通過本文系統和PI控制系統控制實驗電機，在控制時間到達0.3 s時，突然向實驗電機增加額定負載，得出不同系統控制下實驗電機的轉速與標準伺服電機轉速的對比情況，進一步檢驗本文系統的控制性能，如圖9所示。

圖9 電機轉速對比情況

通過分析圖9可得出，在突然向實驗伺服電機增加額定負載的情況下，通過本文系統控制后其轉速依然能夠與伺服電機的標準轉速保持一致，說明本文系統的控制準確性好，且具備較強的抗擾動性能及控制性能。

繼續采用本文系統與PID控制系統對實驗伺服電機實行控制，設置控制時所期望的位置信號為0.3 rad，并在控制達到0.03 s時向實驗電機突然施加0.6 Nm的負載，對比兩種系統的控制效果，如圖10所示。

(a) PID控制系統控制效果

(b) 本文系統控制效果

通過圖10能得出，本文系統與PID控制系統相比具有更高的抗干擾性能，位置信號響應速率高且未出現超調，說明本文系統性能優越，具有更理想的控制效果。

3 總結

本文設計基于S7-200Smart PLC的高性能交流伺服控制系統，因西門子S7-200Smart PLC具有體型小、處理效率高等優點，且能夠實現急速調速與定位功能，其CPU模塊具備多種運動模式及輸出方式，可達到理想的控制效果，故采用西門子S7-200Smart PLC作為本文系統的中間控制裝置。通過仿真實驗檢測本文系統的控制效果得到，本文系統較高的響應效率與抗干擾性能，以及十分優越的控制效果。在未來的研究中會繼續對本文系統進行驗證，通過將本文系統應用于機械系統中，進一步提升本文系統的實際控制效果。