一文看懂西门子PLC控制的伺服控制系统

伺服控制系统

用来精确地跟随或复现某个过程的反馈控制系统。在很多情况下，伺服系统专指被控制量（系统的输出量）是机械位移或位移速度、加速度的反馈控制系统，其作用是使输出的机械位移（或转角）准确地跟踪输入的位移（或转角）。伺服系统的结构组成和其他形式的反馈控制系统没有原则上的区别。

伺服控制系统的优点

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；刚筋成品的尺寸和弯曲角度的精度均在±1；

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。

西门子PLC控制的伺服控制系统

以SINAMICS V80系统为例说明。SINAMICS V80伺服驱动系统包括伺服驱动器和伺服电机两部分，伺服驱动器总是与其对应的同等功率的伺服电机一起配套使用。SINAMICS V80伺服驱动器通过脉冲输入接口来接受从上位控制器发来的脉冲序列，进行速度和位置的控制，通过数字量接口信号来完成驱动器运行的控制和实时状态的输出。

驱动器上有一个脉冲设置旋转开关用来设计脉冲分辨率以及指令脉冲类型的。本设计选择3，对应的分辨率是10000。驱动器的四个连接器X1、X2、X10和X20相应的功能如图3所示：

伺服电机控制系统的硬件组成如图 4 所示。S7-200根据要求发出高速脉冲和电机转动的方向信号，经过驱动器控制伺服电机旋转；电机旋转编码器的输出信号通过驱动器形成A 相和B 相正交信号，经信号转换以后作为S7-200 高速计数器的信号源，形成以S7-200 为处理器的闭环控制系统。伺服电机、伺服驱动器和S7-200PLC 之间采用屏蔽电缆连接。

在伺服电机运行设计时，考虑到伺服电机的平稳启停，设计了三段式脉冲方式，其示意图如5所示。脉冲是分三段式走，即上升、恒速、下降三段，上升段是启动时速度从一个比较低的值上升到一个比较高的值，下降段是电机制动时速度从一个比较高的值一直减小到一个比较小的值，这样有利于保护电机。定义上升和下降段都是走一百个脉冲，则剩余需走的脉冲在恒速段高速走完。另外当需走的脉冲数少于两百个时，就以单段低速走，在每个脉冲子程序中都会先判断是以单段式走还是以三段式走。

图5 三段式脉冲示意图

为了配合步进和伺服电动机的控制，西门子PLC内置了脉冲输出功能，并设置了相应的控制指令，可以很好地对步进和伺服电动机进行控制。

本节将重点讲解西门子S7-200 PLC脉冲输出功能和步进电动机的控制，伺服电动机的控制与步进电动机的基本相同。S7-300/400 PLC中也可以通过FM模块实现步进和伺服控制，思路与S7-200 PLC一致，本节不再介绍。

1、脉冲输出（PLS）指令

脉冲输出（PLS）指令功能为：使能有效时，检查用于脉冲输出（Q0.0或Q0.1）的特殊存储器位（SM），然后执行特殊存储器位定义的脉冲操作。指令格式如表9-3所示。

2、用于脉冲输出（Q0.0或Q0.1）的特殊存储器

每个PTO/PWM发生器都有一个控制字节（8位）、一个脉冲计数值（无符号的32位数值）、一个时间周期和脉宽值（无符号的16位数值）。这些值都放在特定的特殊存储区（SM），如表9-4所示。执行PLS指令时，S7-200读这些特殊存储器位（SM），然后执行特殊存储器位定义的脉冲操作，即对相应的PTO/PWM发生器进行编程。

3、Q0.0和Q0.1的共用

PTO/PWM生成器和输出映像寄存器共用Q0.0和Q0.1。在Q0.0或Q0.1使用PTO或PWM功能时，PTO/PWM发生器控制输出，并禁止输出点的正常使用，输出波形不受输出映像寄存器状态、输出强制、执行立即输出指令的影响；在Q0.0或Q0.1位置没有使用PTO或PWM功能时，输出映像寄存器控制输出，所以输出映像寄存器决定输出波形的初始和结束状态，即决定脉冲输出波形从高电平或低电平开始和结束，使输出波形有短暂的不连续。

4、线性脉冲串输出（PTO）

PTO可以实现占空比为1：2的高速脉冲串的输出，脉冲数和周期可以由用户定义。状态字节中的最高位（空闲位）用来指示脉冲串输出是否完成。可在脉冲串完成时启动中断程序，若使用多段操作，则在包络表完成时启动中断程序。

5、脉宽可调脉冲（PWM）输出

PWM是脉宽可调的高速脉冲输出，通过控制脉宽和脉冲的周期，实现控制任务。

步进电动机在起动和停止时有一个加速及减速过程，且加速度越小则冲击越小，动作越平稳。所以，步进电动机工作时一般要经历这样一个变化过程：加速→恒速（高速）→减速→恒速（低速）→停止。步进电动机转速与脉冲频率成正比，所以输入步进电动机的脉冲频率也要经过一个类似变化过程。步进电动机脉冲频率变化规律如图9-5所示。

1、通过指令向导组态PTO

STEP7-Micro/WIN提供了位置控制向导，可以帮助用户方便地完成PTO、PWM或位控模块的组态。该向导可以生成位控指令，可以用这些指令在应用程序中对速度和位置进行动态控制。

本小节通过PLC控制一个步进电动机的应用，说明利用STEP7-Micro/WIN位置控制向导来实现PTO控制步进电动机的具体操作过程。