S7200+PLC在数字伺服电机控制中的应用ma
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收稿日期： ())* U +) U +8
速度 V 转距控制、 转矩 V 位置 转距控制三种，还有位置 V 速度控制、
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《自动化技术与应用》 !""# 年第 !$ 卷第 # 期
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高速数字脉冲输出
西门子 %31055 系 列 =# 8 $# 8 $#（交 流 供 电， 直 流 L 8 -） 类型
两个高速脉冲输出口分别 !"# 上集成了两个高速 脉 冲 输 出 口， 通过 @5 : 5 、 输 出 时 可 选 择 !>) （脉 宽 @5 : ( 两个 输 出 端 子 输 出， （脉冲串） 方式。 !M- 方 式 每 次 只 能 发 出 固 定 脉 冲， 调制） 和 !M脉冲开始发送后直到发送完毕才能 开 始 新 的 脉 冲 串； !>) 方 式 相对灵活， 在脉冲发送期间可随时改变脉冲周期及宽度， 其中 脉 冲周期可以选择微秒级或毫秒级。
图+
水燃燃气电弧控制系 统 是 水 燃 气 生 产 系 统 的 关 键 组 成 部 分，
5
数字伺服电机的特点及控制
三菱交流 伺 服 ,-"%-./0’1(’%2!-. 系 列 是 具 有 高 性 能 和
多功能特点的伺服 系 统。 其 控 制 模 式 有 位 置 控 制、 速度控制和
证。三菱 )*"%*+,- . /01%2!*+ 系 列 通 用 交 流 伺 服 电 机 采 用 驱动器每接收 0(3 4 (&(530 个 脉 冲 电 机 转 一 圈， 即 (3 位编码器， 其脉冲当量为 &657 8 (&(530 4 9 : ;9 秒。 是 步 距 角 为 ( : ;7 的 步 进 电机的脉 冲 当 量 的 ( 8 6<< 。以 )+1/0%105= 为 例 其 额 定 功 率 为 额定转速为 &555+!)， 从静止加速到其额定 转 速 &555+!) 055>， 仅需几毫秒， 并具有很强的过载能力。 图& 具有电子齿轮功能的伺服系统结构图
!L$ 功能特性
该系列 !"# 可以通过 !L$ 回 路 指 令 来 进 行 !L$ 运 算， 在一
使用了电子齿轮功 能， 就可以任意决定一个输入脉冲所相 当的电机位移量。具有电子齿轮功能的伺服系统结构如 图 & 所 指 令 脉 冲 当 量 为 "( ， 编码器 示。若机械传动机构的螺距为 ’ ，
%" R )*+,%-./*0 12 3/415$4-1% 6 3778-+$4-1%0
由于脉冲当量与反 馈 脉 冲 当 量 不 一 定 相 等， 就需要使用电 子齿轮比 来 建 立 两 者 的 关 系。 具 体 计 算 公 式 为： "( 4 "* D ,*。因此根据一 个 指 令 脉 冲 的 位 置 当 量 和 反 馈 脉 冲 的 位 置 ,.# 当量， 就可以确定具 体 的 电 子 齿 轮 比。 三 菱 该 系 列 伺 服 电 机 的 ,*( 对 于 输 入 的 脉 冲， 电子齿轮比的设 定 范 围 为： E E <55 ， <5 ,.# 可以乘上其中任意倍率使机械运行。 以上 各 部 分， 简 单 的 介 绍 了 )*"%*1+,-1/01%FGHI 系 列 通 用 交流伺服电机的一 些 主 要 特 点、 控 制 原 理 及 方 法。 具 体 其 它 应 用可参考文献 ［ (］ 。
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电子齿轮比
数字交流伺服系统 具 有 位 置 控 制 的 功 能， 可通过上位控制
器发出位置指令脉冲。而伺服系统的位置反馈脉冲当量由编 码 器的分辨率及电机每转对应的机械位移量等决定。当指令脉 冲 当量与位置反馈脉冲当 量 二 者 不 一 致 时， 就需要使用电子齿轮
［ &］ 使二者匹配 。
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既最多可同时实现 ; 个 !L$ 个程序中最多可以用 ; 条 !L$ 指令， 控制算法。在实际程序设计中，可用 %M*! 31)NOIP 8 >NQ &0 中的
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《自动化技术与应用》 !""# 年第 !$ 卷第 # 期
从而提高 !&$ 向导程序来完 成 一 个 闭 环 控 制 过 程 的 !&$ 算 法， 程序设计效率。
越多的被应用于数字控制系统中。为了适应数字控制的发展 趋 势， 运动控制系统中大多 会 采 用 步 进 电 机 或 数 字 式 交 流 伺 服 电 机作为执行电动机。两者 在 控 制 方 式 上 相 似 （脉冲串和方向信 号） ， 但在性能和应用场 合 上 存 在 着 较 大 的 差 异， 数字式交流伺 服系统通常用在高精度及快速控制系统中。 在水燃气生产控制 系 统 中， 要求阴极与阳极碳棒间的极间 电压保持在稳定范围内， 以保证气体成分与产气效率的稳定 性。 但在实际生产过程中， 两极碳棒会因高温不断烧蚀使得极间间 距不断变化， 而这种变化又会严重的影响到极间电压的稳定 性， 甚至可能导致断弧 现 象 的 产 生。 因 此， 为了保证对两极间距的 控制精度， 系统中采用 了 三 菱 ,-"%-./0’1(’%2!-. 系 列 通 用 交 流伺服电机作为执行电动机。本文则主要介绍了在实际工程 项 目中， 运用西门子 %&’()) 系列 !"# 实 现 对 三 菱 交 流 伺 服 电 机 的 控制， 从而最终达到极间电压稳定的方法。
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控制模型
控制模型方框图如图 ’ 所 示， 其 中 *+,- 为 极 间 电 压 给 定 值
（此时产气状态 最 佳） ， *. 为 极 间 电 压 采 样 值， /01- 为 伺 服 电 机 运转速度。通过对电弧电压采样值与弧间电压给定值的比较 并 经过 !"# 的 !&$ 调节回 路 控 制， 可以得出用于控制伺服电机旋 转的脉冲发送周期 2， 从而使伺服电机的送棒速度不停的得到 调整， 这样就达到了 控 制 两 极 间 距 的 目 的。 保 证 了 两 极 间 距 的 相对稳定， 也就保证了极间电压的稳定性。
［ 0］ 。 实 际 项 目 中， 通过扩展 通讯口， 最多 可 扩 展 3 个 应 用 模 块
输入的模拟信号可在 *)0&( 模拟量输入模块 来 采 集 电 压 信 号， 5 (5, J <,、 5 05K= 等 多 种 信 号 输 入 方 式 中 选 择。 最 终， !"#
根据输入电压信号的大 小 控 制 脉 冲 发 送 周 期 的 长 短， 从而达到 控制伺服电机速度的目的。
图’
!&$ 调节控制原理框图
A A 清除工作区域 ?</; F&;5 ，/;’KK A A 读取模拟数值 F /’KK @ L ?</; 8K M NNNN，/;’K’ 若为负则扩展符号 A A 检查符号位， "=$ $2= /$’K’ ，/$)OK A A 将其转化成实数并装载入 !/ "!! A = )H555 @ 5 ，/$)OK A A 正常化至 5 @ 5 至 8 @ 5 之间的数值 $ 9:2;<=> ’ "$ %?5 @ 5 ?</= /$’55 ，/$’55 A A /$’55 为设定值 % & 9:2;<=> K "$ %?5 @ 5 !&$ /D)OK ，5 A A 进行 !&$ 计算 ’ 9:2;<=> L "$ %?5 @ 5 ?</= /$’5’ ，/$’K’ A A 装载 !&$ 输出至工作区 C = /$’55 ，/$’K’ # = 8555 @ 5 ，/$’K’ A A 缩放数值 （下转第 7) 页）
&9#; /;’75 A A 调用中断程序次数加 8 " 9:2;<=> H "$; 6 B /;’75 ， C 85 A A 检查是否应进行 !&$ 计算 ?</; C 5 ，/;’75 清计数器并继续 A A 如果如此， 9<2 I?! 5 转入中断程序结尾 A A 否则， # 9:2;<=> ) （过程变量） A A 计算并装载 !&$ !/ "$ %?5 @ 5 "!% J<=; /;’K’ ，/;’K’
摘
要： 介绍了数字伺服电机的主要特点， 并通过西门 子 %&’()) 系 列 !"# 的 高 速 脉 冲 输 出 口 实 现 了 三 菱 ,-"%-./0’1(’%2!-. 系 列 通用交流伺服电机对极间电压的 !3$ 控制。本控制系统成功用于工业实际项目中， 效果良好。
关键词： 数字伺服电机； %&’()) ； !"#；高速脉冲输出； !3$ 控制 中图分类号： 4,565 7 8 文献标识码： 9 文章编号： +))5’&(8+ （()):） ):’))(;’)5
+
引言
随着全数字式交流 伺 服 系 统 的 出 现， 交流伺服电机也越来
对电弧电压 （极间电压） 控制的好坏将直接影响到气体成分与 产 气效率。其构成如图 + 所示， 其中， 西门子 %&’()) !"# 控 制 器 为 控制系统的核心部件， 它通过高速脉冲输出口输出的高速脉冲 实现对三菱 ,-"%-./0’1(’%2!-. 系 列 通 用 交 流 伺 服 电 机 的 控 制。伺服电机的运转将 通 过 滚 珠 丝 杠 作 用 到 两 个 电 极 上， 进而 不断的调节两极间的间距， 电极间距越大则电极间电压越大， 反 之电压越小。
!"# 控制原理及控制模型
在水燃 气 生 产 控 制 系 统 中， 采 用 了 西 门 子 %31055 系 列
本机自 #!2006 作为主控制器。它是 %31055 系 列 中 的 高 档 !"#， 带 0? 个数字输 入 口、 (6 个 数 字 输 出 口 及 两 个 +%1?00 8 ?;< 串 行
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电机的连线及控制
本应用实例选择的 是 位 置 控 制 模 式， 脉冲输入方式有集电
极开路方式和差动驱动 方 式 两 种， 为了方便的实现同时对两部 电机的控制， 采用差动驱动方式。与 !"# 的接线图如图 0 所示。
?
图0 !"# 与伺服放大器接线图 图中 " . 为公共 !"# 端子， 接 0?,$# 正端， 通过控制内部晶 体管的开关使得输出 @ 呈现不 同 的 电 平 信 号 或 发 出 脉 冲 信 号。 " . ! !A! !!! ()! " . 为脉 冲 输 入 回 路， !"# 控 制 该 回 路 中 的 发光二极管的亮灭， 形成脉冲编码输入。 " . ! BA ! B! ! () ! 当 该 回 路 的 发 光 二 极 管 点 亮 时， " . 为电机旋转方向控制 回 路， 电机正转， 否则反转。由于伺服放大器内 部 电 阻 只 有 (55 欧， 为 其阻 了防止电流过大烧坏内部的发光二极管， 需要 外 接 电 阻 +， 值的计算如下： （0? C 5 " 3） （ #） ! . (55 4 4 0 ’ && ： ? ’ 66 & ! （< ： （ $% ） (5） 根据公式 （(） ， 可以选择 ! 4 & ’ 9 & ! （(）
结束语本文建立的产量预测系统不仅能对产量进行仿真预测还能对中间变量进行仿真预测同时还能随着时间的改变以及外界条件的变化调整参数值以更好地应变化趋势
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《自动化技术与应用》 !""# 年第 !$ 卷第 # 期
%&’()) !"# 在数字伺服电机控制中的应用
王 翔
广州 *+)&(*） （广州航海高等专科学校 计算机系，广东
控制等切换控制方式可供选择。一般应用于对工作机械精度 和 平稳速度控制要求较高 的 场 合， 也可用于速度控制和张力控制 等领域。
每转脉冲数为 ) ， 又考虑到一般电机轴与传动丝杠为直接相 连， 则位置反馈脉冲当量 "* 4 ’ + ? ) 。
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控制精度及性能特点
交流伺服电 机 的 控 制 精 度 由 电 机 轴 后 端 的 旋 转 编 码 器 保
速度 V 转距控制、 转矩 V 位置 转距控制三种，还有位置 V 速度控制、
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高速数字脉冲输出
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水燃燃气电弧控制系 统 是 水 燃 气 生 产 系 统 的 关 键 组 成 部 分，
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数字伺服电机的特点及控制
三菱交流 伺 服 ,-"%-./0’1(’%2!-. 系 列 是 具 有 高 性 能 和
多功能特点的伺服 系 统。 其 控 制 模 式 有 位 置 控 制、 速度控制和
证。三菱 )*"%*+,- . /01%2!*+ 系 列 通 用 交 流 伺 服 电 机 采 用 驱动器每接收 0(3 4 (&(530 个 脉 冲 电 机 转 一 圈， 即 (3 位编码器， 其脉冲当量为 &657 8 (&(530 4 9 : ;9 秒。 是 步 距 角 为 ( : ;7 的 步 进 电机的脉 冲 当 量 的 ( 8 6<< 。以 )+1/0%105= 为 例 其 额 定 功 率 为 额定转速为 &555+!)， 从静止加速到其额定 转 速 &555+!) 055>， 仅需几毫秒， 并具有很强的过载能力。 图& 具有电子齿轮功能的伺服系统结构图
!L$ 功能特性
该系列 !"# 可以通过 !L$ 回 路 指 令 来 进 行 !L$ 运 算， 在一
使用了电子齿轮功 能， 就可以任意决定一个输入脉冲所相 当的电机位移量。具有电子齿轮功能的伺服系统结构如 图 & 所 指 令 脉 冲 当 量 为 "( ， 编码器 示。若机械传动机构的螺距为 ’ ，
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由于脉冲当量与反 馈 脉 冲 当 量 不 一 定 相 等， 就需要使用电 子齿轮比 来 建 立 两 者 的 关 系。 具 体 计 算 公 式 为： "( 4 "* D ,*。因此根据一 个 指 令 脉 冲 的 位 置 当 量 和 反 馈 脉 冲 的 位 置 ,.# 当量， 就可以确定具 体 的 电 子 齿 轮 比。 三 菱 该 系 列 伺 服 电 机 的 ,*( 对 于 输 入 的 脉 冲， 电子齿轮比的设 定 范 围 为： E E <55 ， <5 ,.# 可以乘上其中任意倍率使机械运行。 以上 各 部 分， 简 单 的 介 绍 了 )*"%*1+,-1/01%FGHI 系 列 通 用 交流伺服电机的一 些 主 要 特 点、 控 制 原 理 及 方 法。 具 体 其 它 应 用可参考文献 ［ (］ 。
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电子齿轮比
数字交流伺服系统 具 有 位 置 控 制 的 功 能， 可通过上位控制
器发出位置指令脉冲。而伺服系统的位置反馈脉冲当量由编 码 器的分辨率及电机每转对应的机械位移量等决定。当指令脉 冲 当量与位置反馈脉冲当 量 二 者 不 一 致 时， 就需要使用电子齿轮
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《自动化技术与应用》 !""# 年第 !$ 卷第 # 期
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控制模型
控制模型方框图如图 ’ 所 示， 其 中 *+,- 为 极 间 电 压 给 定 值
（此时产气状态 最 佳） ， *. 为 极 间 电 压 采 样 值， /01- 为 伺 服 电 机 运转速度。通过对电弧电压采样值与弧间电压给定值的比较 并 经过 !"# 的 !&$ 调节回 路 控 制， 可以得出用于控制伺服电机旋 转的脉冲发送周期 2， 从而使伺服电机的送棒速度不停的得到 调整， 这样就达到了 控 制 两 极 间 距 的 目 的。 保 证 了 两 极 间 距 的 相对稳定， 也就保证了极间电压的稳定性。
［ 0］ 。 实 际 项 目 中， 通过扩展 通讯口， 最多 可 扩 展 3 个 应 用 模 块
输入的模拟信号可在 *)0&( 模拟量输入模块 来 采 集 电 压 信 号， 5 (5, J <,、 5 05K= 等 多 种 信 号 输 入 方 式 中 选 择。 最 终， !"#
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!&$ 调节控制原理框图
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摘
要： 介绍了数字伺服电机的主要特点， 并通过西门 子 %&’()) 系 列 !"# 的 高 速 脉 冲 输 出 口 实 现 了 三 菱 ,-"%-./0’1(’%2!-. 系 列 通用交流伺服电机对极间电压的 !3$ 控制。本控制系统成功用于工业实际项目中， 效果良好。
关键词： 数字伺服电机； %&’()) ； !"#；高速脉冲输出； !3$ 控制 中图分类号： 4,565 7 8 文献标识码： 9 文章编号： +))5’&(8+ （()):） ):’))(;’)5
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引言
随着全数字式交流 伺 服 系 统 的 出 现， 交流伺服电机也越来
对电弧电压 （极间电压） 控制的好坏将直接影响到气体成分与 产 气效率。其构成如图 + 所示， 其中， 西门子 %&’()) !"# 控 制 器 为 控制系统的核心部件， 它通过高速脉冲输出口输出的高速脉冲 实现对三菱 ,-"%-./0’1(’%2!-. 系 列 通 用 交 流 伺 服 电 机 的 控 制。伺服电机的运转将 通 过 滚 珠 丝 杠 作 用 到 两 个 电 极 上， 进而 不断的调节两极间的间距， 电极间距越大则电极间电压越大， 反 之电压越小。
!"# 控制原理及控制模型
在水燃 气 生 产 控 制 系 统 中， 采 用 了 西 门 子 %31055 系 列
本机自 #!2006 作为主控制器。它是 %31055 系 列 中 的 高 档 !"#， 带 0? 个数字输 入 口、 (6 个 数 字 输 出 口 及 两 个 +%1?00 8 ?;< 串 行
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电机的连线及控制
本应用实例选择的 是 位 置 控 制 模 式， 脉冲输入方式有集电
极开路方式和差动驱动 方 式 两 种， 为了方便的实现同时对两部 电机的控制， 采用差动驱动方式。与 !"# 的接线图如图 0 所示。
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图0 !"# 与伺服放大器接线图 图中 " . 为公共 !"# 端子， 接 0?,$# 正端， 通过控制内部晶 体管的开关使得输出 @ 呈现不 同 的 电 平 信 号 或 发 出 脉 冲 信 号。 " . ! !A! !!! ()! " . 为脉 冲 输 入 回 路， !"# 控 制 该 回 路 中 的 发光二极管的亮灭， 形成脉冲编码输入。 " . ! BA ! B! ! () ! 当 该 回 路 的 发 光 二 极 管 点 亮 时， " . 为电机旋转方向控制 回 路， 电机正转， 否则反转。由于伺服放大器内 部 电 阻 只 有 (55 欧， 为 其阻 了防止电流过大烧坏内部的发光二极管， 需要 外 接 电 阻 +， 值的计算如下： （0? C 5 " 3） （ #） ! . (55 4 4 0 ’ && ： ? ’ 66 & ! （< ： （ $% ） (5） 根据公式 （(） ， 可以选择 ! 4 & ’ 9 & ! （(）
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《自动化技术与应用》 !""# 年第 !$ 卷第 # 期
%&’()) !"# 在数字伺服电机控制中的应用
王 翔
广州 *+)&(*） （广州航海高等专科学校 计算机系，广东
控制等切换控制方式可供选择。一般应用于对工作机械精度 和 平稳速度控制要求较高 的 场 合， 也可用于速度控制和张力控制 等领域。
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控制精度及性能特点
交流伺服电 机 的 控 制 精 度 由 电 机 轴 后 端 的 旋 转 编 码 器 保