基于S7200伺服电机控制系统设计.docx

1、基于S7200伺服电机控制系统设计西安邮电大学 毕 业 设 计（论 文）题 目：基于S7-200伺服电机控制系统设计 系 别： 自动化学院 专 业： 自动化学院 班 级： 自动0805 学生姓名： 导师姓名： 职称： 讲师 起止时间：2012年3月8日 至 2012年06月17日 毕业设计（论文）诚信声明书本人声明：本人所提交的毕业论文基于S7-200伺服电机控制系统设计是本人在指导教师指导下独立研究、写作的成果，论文中所引用他人的文献、数据、图件、资料均已明确标注；对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式注明并表示感谢。本人完全清楚本声明的法律后果，申请学位论文和资料若有不

2、实之处，本人愿承担相应的法律责任。论文作者签名： 时间： 年 月 日指导教师签名： 时间： 年 月 日西 安 邮 电 大 学毕业设计(论文)任务书学生姓名指导教师职称讲师系别自动化学院专业自动化学院题目基于S7-200伺服电机控制系统设计 任务与要求要学习基本电气控制的设计方法，学习step7和组态软件的使用。熟练掌握组态王的使用,完成本课题要认真复习电机控制的基本知识，设计电动机总线型调速控制系统，主要根据电机的调速原理结合总线功能进行设计，要求提交：1.了解电动机总线型调速控制系统设计的基本原理。2.熟练掌WINCC6.0软件。3.会使用WINCC6.0软件画组态界面。4.绘制电气原理图、

3、装配图、接线图。5.熟练掌握S7-200软件，具有一定的编程能力。开始日期2012年1月7日完成日期2012年06月20日系主任(签字)2012年1月8日西 安 邮 电 学 院毕 业 设 计 (论文) 工 作 计 划 学生姓名_ _指导教师_职称_讲师_系别_自动化学院_专业_自动化_题目 基于S7-200伺服电机控制系统设计_工作进程 1月8日3月12日 了解伺服控制的基本原理 3月13日4月3日 熟悉S7-200软件编程环境及WinCC软件 4月4日4月23日 画出WinCC监控画面 4月24日5月23日 编写并调试伺服控制控制程序 5月24日6月6日 撰写毕业论文。主要参考书目(资料)1

4、 贾贵玺，张臣刚等.高压变频调速技术的研究及其应用.天津：电气传动，No.4，1999，14172 吴洪洋，何湘宁.高功率多电平变换器的研究和应用.天津：电气传动，No.2,2000,7123 陈伯时，谢鸿鸣.交流传动系统的控制策略.CAVD99, 174 苏彦民，李宏.交流调速系统的控制策略.北京：机械工业出版社，1998主要参考书目(资料)主要仪器设备及材料伺服电机及S7-200软件、WINCC论文(设计)过程中教师的指导安排 每周三下午、周五下午对计划的说明西安邮电大学毕业设计(论文)开题报告 自动化学院 系 自动化 专业 08 级 05 班课题名称：基于S7-200伺服电机控制系统设计

5、 学生姓名： 学号： 指导教师： 报告日期： 2012年3月28日 1.本课题所涉及的问题及应用现状综述为了提高学生在进入自动化专业工作岗位之前的实际动手能力，提前接触和适应自动化专业工作岗位中可能遇到的问题，本题目通过学习和使用自动化专业可能用到的编程软件S7-300和组态王，使学生能够提前学习并掌握自动化专业的相关软件。 由于伺服电机在调节过程中，受到模拟信号和伺服电机本身特点的影响，为了很好的调节伺服电机速度和模拟信号之间的关系，应用PID算法来达到调节要求。并应用组态工能实现控制2本课题需要重点研究的关键问题、解决的思路及实现预期目标的可行性分析重点研究的关键问题：PLC输出的模拟量实

6、现对伺服电机的速度较为精准的控制解决思路：见原理图3完成本课题的工作方案完成本课题要认真复习电机控制的基本知识，设计电动机总线型调速控制系统，主要根据电机的调速原理结合总线功能进行设计。并对电机的PID调速有一个清晰的认识。要学习基本电气控制的设计方法，学习step7和组态软件的使用。熟练掌握组态王的使用,为此制定完成本课题的工作方案如下： 第一周:完成知识储备，认真复习现场总线的定义和设计方法及其基本原理；第二周:熟悉控制系统的要求，对该系统要完成的功能进行分析。并设计电气线路图和PLC的外围接线图。 第三周:学习工业组态软件组态王的使用； 第四周:完成电机调速设计方案的程序部分； 第五周:

7、继续对电机调速方案进行分析整理； 第六周:提供分析整理报告，并进行中期检查； 第七周:完成组态画面的绘制和变量的连接； 第八周:继续完成组态画面的绘制和变量的连接，并整理资料； 第九周:提供组态仿真报告并调试电路； 第十周:调试并进行后期检查； 4指导教师审阅意见指导教师(签字)： 2012年 3 月 8 日说明：本报告必须由承担毕业论文(设计)课题任务的学生在毕业论文(设计) 正式开始的第1周周五之前独立撰写完成，并交指导教师审阅。西安邮电大学毕业设计 (论文)成绩评定表学生姓名性别男学号专 业班 级自动0805班课题名称基于S7-200伺服控制系统设计课题类型科研题目难度较难毕业设计（论文

8、）时间2012 年3月8日6月 17日 指导教师(职称：讲师)课题任务完成情况论 文 (千字)； 设计、计算说 明书 (千字)； 图纸 (张)；其它(含附 件)：指导教师意见分项得分：开题调研论证分； 课题质量（论文内容）； 创新分；论文撰写（规范）分； 学习态度分； 外文翻译 分指导教师审阅成绩：指导教师(签字)： 年 月 日评阅教师意见分项得分：选题分； 开题调研论证 分； 课题质量（论文内容） 分； 创新 分；论文撰写（规范）分； 外文翻译 分评阅成绩：评阅教师(签字)： 年月 日验收小组意见分项得分：准备情况分； 毕业设计（论文）质量分； （操作）回答问题分验收成绩：验收教师(组长)(

9、签字)： 年 月 日答辩小组意见分项得分：准备情况 分； 陈述情况分； 回答问题 分； 仪表 分答辩成绩： 答辩小组组长(签字)： 年 月日成绩计算方法(填写本系实用比例)指导教师成绩 () 评阅成绩 () 验收成绩 () 答辩成绩 ()学生实得成绩(百分制)指导教师成绩 评阅成绩 验收成绩 答辩成绩 总评 答辩委员会意见 毕业论文(设计)总评成绩(等级)： 系答辩委员会主任(签字)： 系(签章) 年月 日备注西安邮电学院毕业论文(设计)成绩评定表(续表)摘 要随着自动化水平的不断提高，越来越多的工业控制场合需要精确的位置控制。因此，如何更方便、更准确地实现位置控制是工业控制领域内的一个重要问

10、题。伺服系统是以机械运动的驱动设备，伺服电动机为控制对象，以控制器为核心，以电力电子功率变换装置为执行机构，在自动控制理论的指导下组成的电气传动自动控制系统,这类系统控制电动机调转速，将电能转换为机械能，实现运动机械的运动要求本文主要介绍了利用西门子PLC输出的模拟量、伺服控制器完成了对伺服电机转速精准的控制。提高了系统控制的可靠性和精确度。满足了工业现场的需要。关键词：伺服电机 PLC 模拟量ABSTRACTWiththecontinuous improvementofthelevel of automation, more and moreindustrialcontrol applica

11、tionsneedaccurateposition control.Therefore,more convenient,more accurateposition control isan important issuewithinthefieldofindustrial control.Servo system is based onmechanical movementof thedrivenequipment, theservomotorto control theobjecttothecontrolleras the core powerelectronic powerconversi

12、on deviceas the executing agency, theelectric driveautomatic control systemunder the guidanceof theautomatic control theory, such systemscontrolthespeedofthe motortone,converts electrical energyinto mechanical energy,and movingmachinerymovementIn this paper,using SiemensPLC outputanalogservo control

13、lerhascompleted aprecisionservo motorspeedcontrol.Improve thereliabilityand accuracyofthe system control.Meetthe needsoftheindustrialsite.KEY WORDS: Servo motor，PLC ，analog 引 言伺服电机在自动控制系统中用作执行组件，它将接收到的控制信号转换为轴的角位移或角速度输出。通常的控制方式有三种：通讯方式，利用RS232或RS485方式与上位机进行通讯，实现控制；模拟量控制方式，利用模拟量的大小和极性来控制电机的转速和方向；差分信号

14、控制方式，利用差分信号的频率来控制电机速度。简单、方便的实现对伺服电机转速的精确控制是工业控制领域内的一个期望目标，本文主要研究如何利用PLC输出的模拟量实现对伺服电机的速度较为精准的控制1 概述1.1伺服电机控制技术现状从70年代后期到80年代初期，随着微处理器技术、大功率高性能半导体功率器件技术和电机永磁材料制造工艺的发展及其性能价格比的日益提高，交流伺服技术交流伺服电机和交流伺服控制系统逐渐成为主导产品。交流伺服驱动技术已经成为工业领域实现自动化的基础技术之一，并将逐渐取代直流伺服系统。交流伺服系统按其采用的驱动电动机的类型来分，主要有两大类：永磁同步（SM型）电动机交流伺服系统和感应式

15、异步（IM型）电动机交流伺服系统。其中，永磁同步电动机交流伺服系统在技术上已趋于完全成熟，具备了十分优良的低速性能，并可实现弱磁高速控制，拓宽了系统的调速范围，适应了高性能伺服驱动的要求。并且随着永磁材料性能的大幅度提高和价格的降低，其在工业生产自动化领域中的应用将越来越广泛，目前已成为交流伺服系统的主流。感应式异步电动机交流伺服系统由于感应式异步电动机结构坚固，制造容易，价格低廉，因而具有很好的发展前景，代表了将来伺服技术的方向。但由于该系统采用矢量变换控制，相对永磁同步电动机伺服系统来说控制比较复杂，而且电机低速运行时还存在着效率低，发热严重等有待克服的技术问题，目前并未得到普遍应用。系统

16、的执行元件一般为普通三相鼠笼型异步电动机，功率变换器件通常采用智能功率模块IPM。为进一步提高系统的动态和静态性能，可采用位置和速度闭环控制。三相交流电流的跟随控制能有效地提高逆变器的电流响应速度，并且能限制暂态电流，从而有利于IPM的安全工作。速度环和位置环可使用单片机控制，以使控制策略获得更高的控制性能。电流调节器若为比例形式，三个交流电流环都用足够大的比例调节器进行控制，其比例系数应该在保证系统不产生振荡的前提下尽量选大些，使被控异步电动机三相交流电流的幅值、相位和频率紧随给定值快速变化，从而实现电压型逆变器的快速电流控制。电流用比例调节，具有结构简单、电流跟随性能好以及限制电动机起制动

17、电流快速可靠等诸多优点1.2伺服调速调速控制技术发展趋势由于现代微电子技术的不断进步以及电力电子电路良好的控制特性，使几乎所有新的控制理论，控制方法都得以在交流调速装置上应用和尝试。现代控制理论不断向交流调速领域渗透，特别是微型计算机及大规模集成电路的发展，使得交流电动机调速技术正向高频化、数字化和智能化方向发展。近年来电力电子装置的控制技术研究十分活跃，各种现代控制理论，如自适应控制和滑模变结构控制，以及智能控制和高动态性能控制都是研究的热点。这些研究必将把交流调速技术发展到一个新的水平。控制系统的软化对CPU芯片提出了更高的要求，为了实现高性能的交流调速，要进行矢量的坐标变换，磁通矢量的在

18、线计算和适应参数变化而修正磁通模型，以及内部的加速度、速度、位置的重叠外环控制的在线实时调节等，都需要存储多种数据和快速实时处理大量信息。可以预见，随着计算机芯片容量的增加和运算速度的加快，交流调速系统的性能将得到很大的提高。当今科学的快速发展使得各学科之间已没有严格的界线，它们相互影响，相互渗透，从发展的角度来看，把神经网络、模糊控制、滑模变结构控制等现代控制理论用于伺服电机调速技术有着极其重要的意义和广阔的前景，可以认为这将是伺服电机调速技术的发展方向之一。此外，控制领域的其他新技术如现场总线、自适应控制、遗传算法等，也将引入到交流传动领域，给伺服电机调速的控制技术带来重大的影响。1.3伺

19、服电机调速概况1.3.1 本课题研究意义20世纪80年代以来，随着集成电路、电力电子技术和交流可变速驱动技术的发展，永磁交流伺服驱动技术有了突出的发展，各国著名电气厂商相继推出各自的交流伺服电动机和伺服驱动器系列产品并不断完善和更新。交流伺服系统已成为当代高性能伺服系统的主要发展方向，使原来的直流伺服面临被淘汰的危机。90年代以后，世界各国已经商品化了的交流伺服系统是采用全数字控制的正弦波电动机伺服驱动。交流伺服驱动装置在传动领域的发展日新月异。S7-200，Wincc 是由国际知名的自动化公司研发的，完全是为了满足工业自动化领域的应用的PLC和组态。伺服系统运用的行业是一个自动化程度非常高的

20、行业，这些系统都存在可靠性要求高、监控设备和对象多而复杂、实时性要求高等特点。随着现伺服技术和远程控制日益成熟信息化要求的提高，基于现场总线的控制系统将为电力行业自动化系统提供更好的选择。目前制约基于PLC的控制伺服系统在工业应用上的主要问题，主要包括以下几个方面：支持PLC控制伺服系统的智能设备造成初期投资的提高；系统结构如何变化，如何构筑一个基于PLC伺服的控制系统；通讯是否可靠；设备选型的局限性等对于用户的这些疑问等。1.3.2 本课题系统基本结构伺服调速系统的主要组成部分如图1-1所示。其中伺服电机是受控对象和传动装置。伺服驱动器将具有一定电压、电流和频率的电源能量变换为具有可调电压、

21、可调电流或可调频率电源能量，起电能变换和控制作用，以检验和变换反馈信号。在伺服调速系统中主要反馈量有电压、电流、转速、转矩、磁通和转子位置角等。控制层根据给定信号和反馈信号产生所需要的控制指令和偏差信号。调节装置用于按照一定规律控制变流装置能量的流动，通过硬件或软件产生满足控制要求的算法或校正量，以提高或校正系统的静态性能。在要求不很高的场合，没有反馈装置而采用开环控制，但前提是电机本身应具有足够的稳定性和可调性。图 1-1伺服机调速系统的基本结构图2伺服电动机调速原理随着伺服电动机在国内外市场上日益扩大应用。我国对于伺服电机的品种不断扩大，产品设计也不断改进。为适应不同用途、不同工作条件和使

22、用环境等各种要求，专用系列和改型系列伺服电机产品在将来将迅速发展。2.1 伺服电机技术2.1.1 伺服电机技术介绍伺服电机可使控制速度，位置精度非常准确，可以将电压信号转化为转矩和转速以驱动控制对象。伺服电机转子转速受输入信号控制，并能快速反应，在自动控制系统中，用作执行元件，且具有机电时间常数小、线性度高、始动电压等特性，可把所收到的电信号转换成电动机轴上的角位移或角速度输出。分为直流和交流伺服电动机两大类，其主要特点是，当信号电压为零时无自转现象，转速随着转矩的增加而匀速下降。2.1.2.与其电机相比较伺服电机的优点：伺服电机的主要特点是电机转子转速受输入型号控制，实现电机转速或被控对象输

23、出的控制。此外，还具有以下优点：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； 2、转速：高速性能好，一般额定转速能达到20003000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。与其他电机相比，利用伺服电机控制系统进行调速控制有许多优点，如节能，容易实现对现有电动机的调速控制，可以实现大范围的高效连续调速控制，容

24、易实现电动机的正反转切换，可以进行高频度的起、停、运转，可以进行电气制动，2.2 伺服电机结构和工作原理2.2.1 交流伺服电动机的组成结构交流伺服电动机的结构主要可分为两大部分，即定子部分和转子。其中定子的结构与旋转变压器的定子基本相同，在定子铁心中也安放着空间互成90电角度的两相绕组，如图3-1所示。其中L1- L2称为励磁绕组， k1-k2称为控制绕组，所以交流伺服电动机是一种两相的交流电动机。转子的结构常用的有鼠笼形转子和非磁性杯形转子。 鼠笼形转子交流伺服电动机的结构如图3-2所示， 它的转子由转轴、 转子铁心和转子绕组等组成。 转子铁心是由硅钢片叠成的， 每片冲成有齿有槽的形状，

25、如图3-3所示， 然后叠压起来将轴压入轴孔内。 铁心的每一槽中放有一根导条， 所有导条两端用两个短路环连接， 这就构成了转子绕组 图3-1 两相绕组分布图1 定子绕组2 定子铁心3 鼠笼转子图3-2 鼠笼型转子交流伺服电机 图3-3 转子冲片非磁性杯形转子交流伺服电动机的结构如图3-4所示。 图中外定子与鼠笼形转子伺服电动机的定子完全一样,内定子由环形钢片叠成,通常内定子不放绕组， 只是代替鼠笼转子的铁心，作为电机磁路的一部分。在内、外定子之间有细长的空心转子装在转轴上，空心转子作成杯子形状，所以又称为空心杯形转子。空心杯由非磁性材料铝或铜制成，它的杯壁极薄，一般在0.3 mm左右。 杯形转子

26、套在内定子铁心外，并通过转轴可以在内、外定子之间的气隙中自由转动，而内、 外定子是不动的。1杯形转子 2外定子 3内定子 4机壳 5端盖 图3-4 杯形转子伺服电动机与鼠笼形转子相比较，非磁性杯形转子惯量小，轴承摩擦阻转矩小。由于它的转子没有齿和槽，所以定、转子间没有齿槽粘合现象，转矩不会随转子不同的位置而发生变化，恒速旋转时，转子一般不会有抖动现象，运转平稳。但是由于它内、外定子间气隙较大(杯壁厚度加上杯壁两边的气隙)，所以励磁电流就大，降低了电机的利用率，因而在相同的体积和重量下，在一定的功率范围内，杯形转子伺服电动机比鼠笼转子伺服电动机所产生的启动转矩和输出功率都小；另外，杯形转子伺服电

27、动机结构和制造工艺又比较复杂。因此， 目前广泛应用的是鼠笼形转子伺服电动机， 只有在要求运转非常平稳的某些特殊场合下(如：积分电路等)， 才采用非磁性杯形转子伺服电动机。2.2.2伺服电动机的工作原理交流伺服电机的工作原理和单相感应电动机无本质上的差异。但是，交流伺服电机必须具备一个性能，就是能克服交流伺服电机的所谓“自转”现象，即无控制信号时，它不应转动，特别是当它已在转动时，如果控制信号消失，它应能立即停止转动。而普通的感应电动机转动起来以后，如控制信号消失，往往仍在继续转动。当电机原来处于静止状态时，如控制绕组不加控制电压，此时只有励磁绕组通电产生脉动磁场。可以把脉动磁场看成两个圆形旋转

28、磁场。这两个圆形旋转磁场以同样的大小和转速，向相反方向旋转，所建立的正、反转旋转磁场分别切割笼型绕组（或杯形壁）并感应出大小相同，相位相反的电动势和电流（或涡流），这些电流分别与各自的磁场作用产生的力矩也大小相等、方向相反，合成力矩为零伺服电机转子转不起来。一旦控制系统有偏差信号，控制绕组就要接受与之相对应的控制电压。在一般情况下，电机内部产生的磁场是椭圆形旋转磁场。一个椭圆形旋转磁场可以看成是由两个圆形旋转磁场合成起来的。这两个圆形旋转磁场幅值不等（与原椭圆旋转磁场转向相同的正转磁场大，与原转向相反的反转磁场小），但以相同的速度，向相反的方向旋转。它们切割转子绕组感应的电势和电流以及产生的电

29、磁力矩也方向相反、大小不等（正转者大，反转者小）合成力矩不为零，所以伺服电机就朝着正转磁场的方向转动起来，随着信号的增强，磁场接近圆形，此时正转磁场及其力矩增大，反转磁场及其力矩减小，合成力矩变大，如负载力矩不变，转子的速度就增加。如果改变控制电压的相位，即移相180o，旋转磁场的转向相反，因而产生的合成力矩方向也相反，伺服电机将反转。若控制信号消失，只有励磁绕组通入电流，伺服电机产生的磁场将是脉动磁场，转子很快地停下来。鼠笼转子(或者是非磁性杯形转子)所以会转动起来是由于在空间中有一个旋转磁场。 旋转磁场切割转子导条， 在转子导条中产生感应电势和电流， 转子导条中的电流再与旋转磁场相互作用就产生力和转矩， 转矩的方向和旋转磁场的转向相同， 于是转子就跟着旋转磁场沿同一方向转动。 这就是交流伺服电动机的简单工作原理。2.3伺服驱动器概述2.3.1 伺服驱动器 控制伺服电机的一种控制器，其作用类似于变频器作用于普通交流马达，属于伺服系统的一部分，主要应用于高精度的定位系统。一般是通过位置、速度和力矩三种方式对伺服马达进行控制，实现高精度的传动系统定位，目前是传动技术的高端产品。2.3.2 伺服电机控制系统调速控制系统及其原理伺服电机调速系统由伺服驱动器、电动机及其控制系统构成。伺服调速系统通过改变异步电动机定子的供电源频率，从而改变电动机同步转速，其调速特性基本上