面向模塊化機械套件的伺服系統設計

張盛，朱志豪

上海工程技術大學，上海，201620

0 引言

伺服驅動系統是自動控制系統的一個子集，用來調控被控對象的轉角或位移，確保輸入的實時指令可以在被控對象上自動地、連續地、精確地執行。自動控制系統可通過輸入的信號來調整、改變物體的位置、方位、狀態等輸出被控量，依靠脈沖來定位，在收到脈沖后，控制系統根據對脈沖的單位設定值來完成位置的變化或者速度的增減幅度，從而實現位移以及速度變換，以負反饋閉環控制系統為主要工作狀態，在特定情況下也使用開環控制來確保其功能的實現。

伺服系統是動態跟蹤系統，所以達到的平衡也是動態平衡。其原理是基于開環控制的AC/DC 電機進行閉環反饋PID調諧控制，通過旋轉編碼器、旋轉變壓器等將速度和位置信號發送回驅動器，外加內部驅動控制，電流閉環。這三個閉環設置，大大提高了電機輸出跟隨設定值的精度和響應時間特性[1]。

1 伺服驅動系統的功能及原理

控制伺服系統機械元件運行的電機稱為伺服電機，屬于微型電機的一類，在自動控制裝置中用作執行元件，原理結構如圖1所示。伺服驅動系統組成部分可分為以下幾項：（1）指令部分：動作指令信號的輸出裝置。（2）驅動部分：接收指令部分的輸出，并驅動執行機構動作的裝置。（3）反饋部分：檢測執行結構或者負載狀態的裝置。（4）執行機構：接收驅動部分的輸出信號產生的角速度、位置、線速度、轉矩等狀態。

圖1 模塊化機械套件系統構成

伺服控制系統有三類控制模式：速度控制方式、轉矩控制方式和位置控制方式。速度控制和轉矩控制都是用電子信號模擬量來控制的，位置控制是通過激發脈沖來控制。伺服驅動系統上存在著機械裝置，電信號可以通過機械裝置傳遞到各個元件，從而可以帶著輪子、齒輪或者皮帶進行轉動。伺服驅動系統里含有控制板，控制板里有各種程序，它的面板上有各種接口，如CAN總線接口、RS485接口及脈沖輸入輸出等。功率板上大都是元器件，它可將220V的電壓轉換成控制板和驅動板所需電壓。其次控制板上的整流橋將電流整流后通過控制板給IGBT發布指令，然后用PWM控制這個電機進行轉動。因此伺服系統可以將接收到的電信號轉換成電機軸上的角位移或角速度輸出，來達到指令的要求。

隨著工業制造的飛速發展，設備不斷更新，博途 TIA portal V15 和 SINAMICS S120 都得到了廣泛的使用，其中博途 TIA portal V15 是全集成自動化實現的工程平臺，實現了Step 7、WinCC軟件等功能，能將全部自動化組態設計工具完美地整合在一個統一的開發環境中，并實現了硬件可視化。而SINAMICS S120是集伺服控制、矢量控制、V/F 控制為一體的多軸驅動系統，具有模塊化的設計。各模塊間通過高速驅動接口DRIVECLIQ相互連接。所以本文將采用博途 TIA portal V15 和 SINAMICS S120 組態關聯的方式研究伺服電機性能，實現伺服電機的相關測試[1]。

2 SINAMICS S120的應用

SINAMICS S120伺服驅動器控制系統模塊是一套集伺服V/F、矢量伺服驅動控制單元模塊于一體的系統模塊。其模塊化的設計，提供了更高性能及可靠穩定的單軸驅動器系統和高性能雙軸伺服馬達驅動。從某種意義上講，在SINAMICS S120中控制單元CU320起著類似人體大腦的作用，它類似是一個驅動整個系統運動的機械大腦，整個機械驅動的系統運動中涉及的其他所有系統模塊也都需要由它來加以控制指揮和協調，來自不同軸上的電流環、速度環以及位置環同時也要由它來實現控制，并且滿足在同一系統環境中控制單元上任何一根軸能夠被讀寫的速度數據均能被控制單元上的所有其他軸同時讀取，即允許同一塊芯片（如CU320）所控制下的系統各軸之間仍能實時相互地交換速度數據，這一重要特征也被廣泛用作于多根軸之間進行一種簡單快速的系統速度同步[2]。

我們通過切紙機進行模擬，通過調整牽引輥和橫切刀的同步運轉速度，可調整紙張的切長長度。圖2-圖4是SINAMICS S120控制電機（切紙刀）的程序樣例。

圖2 大盤電機PLC流程圖1

圖3 大盤電機PLC流程圖2

圖4 大盤電機PLC流程圖3

3 西門子報文

報文是一個網絡結構，是一種計算機語言。它的形式多變，不同的形式傳遞不同的信息。當站點發送報文時，需要附加目的地址。事實上，報文的傳輸是可以分成多個節點的。即報文可以先發送到其他非目的地的節點，其他節點收到報文后會檢查整個報文是否有問題，如果報文沒有問題，就可以暫存整個報文，再利用路由信息找出下一個地址并傳送，最后轉送到目的地。因此，在使用SINAMICS S120時報文起到一個傳輸、翻譯的作用[3]。實際上，報文的選擇則是比較寬泛的。SINAMICS S120一般位置控制不僅支持西門子999報文同時也支持西門子111報文。

自由報文999是用戶自由發揮、自由度空間最大的一種報文形式。而且，這種報文的允許通訊字數、數據數目也是最多的。它的整個通訊結構、通訊定義都可以由用戶來定義。固定報文111的通訊定義及結構已經完全被定死了，是一種已經固定了的模式，用戶不可能改變。通訊字數、數據信息已經完全固定。我們小組在自己編程的過程中則是選擇了更為自由的999報文。如圖5所示：

圖5 報文通訊構架

4 觸摸屏

觸摸屏采用博途 TIA portal V15。博途系列軟件通過將程序文件的編寫過程和組態的畫面過程集成在一起，使原有復雜程序的硬件注釋也變得完整清晰。實際應用也說明了博途 TIA portal V15能快速進行相應程序的MODBUS通信處理，可大幅度減少相應程序文件的實際編寫工作量，且代碼直觀簡單易懂。現場操作維護時工作人員如發現有任何問題，可通過電話、微信等通信方式即時處理。該測試過程中涉及的主要是程序界面。因此，主程序設置中便不再需要用戶編寫管腳參數來設置模塊的數據通信程序，且MODBUS通信協議的數據地址也可通過直接輸入在主程序模塊中來設置，大幅度減少了模塊數據地址傳輸與程序腳本編寫之間的復雜工作量，現場安裝易實現調試，節省硬件調試設計人員大量的準備時間，可使調試設備盡早完成投入使用。

操作上首先可以新建SIMATIC面板，在此基礎上找到對應的設備地址來連接相應PLC。設置不同功能界面、點動、回零、定位、同步，添加相關的按鈕設置數據類型附加大小輪盤速度。對于速度顯示框添加輸入/輸出屬性。對按鈕添加時間，以此來給按鈕賦值使其具有特定的功能，亦可給它添加不同外觀，按下放開時具有不同的顏色增加辨識度。在測試啟動前可直接采用MODSCAN32接口來進行數據傳輸測試和數據模擬測試，在傳輸模擬測試的模塊連接中首先應詳細設置和確認好博途V15的硬件、CP341模塊的板卡地址、MODBUS地址的起始點長度和數據長度。并通過在模塊連接上設置，確認好博途V15的硬件模塊連接所需對應連接的端口地址、波特率和傳輸測試模式等，設置軟件中都采用標準的RTU傳輸模擬測試用協議。我們要保證每一條合格的RS485模擬通信電纜可通過另一個標準MODBUS模擬通信器連接到模擬測試用的計算機總線上。在完成了以上的所有設置及過程調試后，所有需要實時監視的數據均可在模擬通信的軟件和應用平臺中出現，實現線上監視。使用博途V15將伺服電機系統裝置的全部控制信息送入中央控制器，不但大大提高了工程設計和編程人員的效率和準確度，同時還促進了中心控制器的信息對接，同時也給日后的應用維修和故障管理帶來了便利[4]。

5 結語

在面向模塊化機械套件的伺服系統的設計時，我們對博途TIA portal V15和SINAMICS S120等進行了研究。可使用西門子111報文（固定報文）或999報文（自由報文）將自己的想法編譯傳輸至伺服電機。在此基礎之上利用博途TIA portal V15將伺服電機系統裝置的全部控制信息送入中央控制器。可以SINAMICS S120電機為主體來調試伺服電機性能，實現伺服電機的相關測試。