S7—200PLC在伺服电机位置控制中的应用

刘凯

摘要：本文通过基于S7-200 PLC对伺服电机位置控制进行了阐述，分析了三种控制方式，并比较在不同的场合下哪种方式更适合，对实际的工程应用具有一定的借鉴意义。

关键词：S7-200；伺服電机；位置

中图分类号：TP273 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2018）01-0017-01

1 引言

随着制造业的需要以及电机原理的不断深化，多种电机类型不断涌现，并且不断的向大功率、高性能以及微型化趋势发展。电力电子技术、现代控制理论、微处理器、检测技术等快速发展，使电力拖动系统有了飞跃进步，加之稀有材料的研制使得电机性能更加完善，结合高精度电力电子器件，实现精确的伺服电机位置控制并非难题[1-2]。目前，在极力提高伺服电机位置控制的精确性的同时，如何加快控制速度是现代化工业控制领域迫切需要解决的问题。

2 伺服控制系统概述

伺服控制系统是用来跟随或者浮现某个过程的反馈控制系统，故又称之为随动系统[3]。在多数场合下，伺服系统专门指被控制量（系统的输出量）是机械位移或者位移速度、加速度的反馈控制系统，主要的功能是输出的机械位移准确的跟踪输入位移。伺服控制系统最早用于火箭的控制、船舶的驾驶等领域，经过多年的研究和推广，在自动车床天线位置控制等领域也逐渐应用广泛。伺服控制系统的优势是：一是能用小功率指令信号来控制大功率负载；二是当无法使用机械连接进行控制时，可以通过输入轴控制远距离输出轴而实现远距同步传动；三是通过输出机械位移来精准的跟踪电信号，如记录或者指示仪表等。伺服控制系统的主要指标有宽带和精度。宽带的规定是来源于系统的频率响应特性，它能够有效的反映出系统的跟踪快速性；精度主要取决于所使用测量单元的精确度。

伺服控制系统类型较多，按照自动控制理论的角度上进行系统分析，伺服控制系统主要包括控制器、被控对象、执行环节、检测环节以及比较环节等五部分组成。控制器主要是有计算机或者PID电路实现，作用是通过变换处理来自于比较元件输出的偏差信号，实现控制设备按照指定要求动作。被控对象是系统所需要控制的参量进而使控制设备具有最佳的控制效果，主要的控制参量有位移、加速度、力等。执行环节主要是按照控制信号的要求实现其他能转化为机械能从而驱动被控对象。检测环节主要是被控对象的精确度检测，包括传感器和转换电路。比较环节主要是实现输入信号与反馈信号进行表分析，从而获取输入与输出之间的偏差。

伺服系统按照其所驱动元件的类型分为机电驱动伺服系统、液压伺服系统和气动伺服系统。本文是对电机位置控制，所以采用的是机电驱动伺服控制系统。

3 基于S7-200的PLC伺服电机位置控制的方案选择

3.1 S7-200 PLC组成原理

PLC是一种数字运算的电子系统，在工业环境的应用非常广泛。通过可编程存储器实现逻辑运算、顺序控制、定时、计算和算数运算的执行，并通过模块上的I/O接口实现命令输入输出，进而实现对机械设备的控制。

S7-200系列是西门子的一款PLC产品，它能够提供4种基本单元和6种不同型号的扩展单元，系统主要是由基本单元、扩展单元、编程器、存储器、文本显示、存储卡等构成。S7-200具有结构紧凑、扩展性好、指令功能强大、且价格低廉，是目前市场较为理想的一种小型控制器，通过组合，S7-200能够组成PLC-PLC网络、微机-PLC网络，从而满足大规模工程的需要。S7-200能够在Windows系统环境下采用STEP7-Micro/WIN32软件进行编程、调试、监控，方便且快捷。S7-200系列PLC有CPU221、CPU222、CPU224以及CPU226四种型号，更具应用规模不同选择不同类型的S7-200，如小规模工程可选择CPU221，其内部仅有6点数字量输入点数和4点数字量输出点数；大规模可选择CPU226，其内部的输入/输出点数为24/16点，共40个I/O口，能够连接7个扩展模块，可扩展至248点数字量I/O或者35路模拟量I/O。S7-200系列PLC能够提供多种位置控制方式，如通过高速脉冲输出控制方式、EM253位置控制模块、串口通信控制方式。

3.2 控制方案探讨

在S7-200系列中的CPU224中内置脉冲发生器，能够输出脉冲串和脉冲宽度调制两种脉冲发生模式，能够输出100kHz频率的脉冲，所以能够使用高速脉冲输出控制方式，通过生成50%的占空比实现对伺服电机的速度和位置的控制。通常情况下伺服电机工作在“+”方向模式下，PLC为伺服控制器发送脉冲信号控制电机的转速和目标位置，通过发送方向信号控制电机运作方向，并且电机行程路线上安装左限位开关、右限位开关以及参考点位置开关，通过实际的编程实现限位和参考点的寻找。

EM253位置控制模块是PLC中特殊的模块，通过生成的脉冲串