本文在分析SIMATIC S7-300中FM354伺服定位模塊特點(diǎn)及功能和方波永磁同步電動(dòng)機(jī)工作原理的基礎(chǔ)上，通過對(duì)基于SIMATIC S7－300的交流伺服定位控制系統(tǒng)原理分析和具體應(yīng)用，對(duì)系統(tǒng)機(jī)械參數(shù)的設(shè)定及優(yōu)化提出了相應(yīng)的方法。調(diào)試結(jié)果說明，由FM354和方波永磁同步電動(dòng)機(jī)所構(gòu)成的伺服定位系統(tǒng)具有良好的動(dòng)態(tài)特性和靜態(tài)特性。 1 前言 SIMATIC S7-300 PLC是德國西門子公司開發(fā)的PLC系統(tǒng)，系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計(jì)，各種單獨(dú)模塊之間可進(jìn)行廣泛組合和擴(kuò)展。系統(tǒng)主要由下列幾部分構(gòu)成：（1）中央處理單元（CPU）；（2）信號(hào)模塊（SM）；（3）通信處理器（CP）；（4）功能模塊（FM）。另外，還能根據(jù)具體用戶的要求，提供一些輔助設(shè)備。 由于永磁同步電動(dòng)機(jī)具有電機(jī)能量轉(zhuǎn)換效率高、體積小；運(yùn)行可靠性高、調(diào)速范圍廣； 系統(tǒng)動(dòng)、靜特性好等優(yōu)點(diǎn),世界各國紛紛對(duì)其進(jìn)行研究。尤其從80年代以來，永磁材料特別是稀土永磁材料的迅猛發(fā)展，大大提高了永磁電機(jī)的效率、縮小了體積、降低了成本。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，在500W以下的直流微特電機(jī)中，永磁電機(jī)占92％，這充分說明永磁電機(jī)的發(fā)展速度。與此同時(shí)，隨著自動(dòng)控制技術(shù)的發(fā)展，特別是交流電動(dòng)機(jī)矢量控制技術(shù)的提出，極大地促進(jìn)了交流變頻調(diào)速技術(shù)的發(fā)展，電力電子技術(shù)的日新月異，這三個(gè)阻礙交流電機(jī)調(diào)速的關(guān)鍵技術(shù)都得到了突破，使得永磁同步電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速控制器的研制和開發(fā)成為必然。目前，各國的電氣公司，如德國的SIEMENS、美國的通用電氣公司等都相續(xù)推出了各自的永磁同步伺服電動(dòng)機(jī)和伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)產(chǎn)品，并不斷采用新技術(shù)進(jìn)行改進(jìn)和更新，使永磁同步伺服系統(tǒng)性能更加優(yōu)異，價(jià)格更趨合理。永磁同步伺服系統(tǒng)已取代直流伺服系統(tǒng)成為主流。 FM354是一個(gè)專用伺服定位控制模塊，它是S7－300 PLC控制器中的一個(gè)子模塊， S7－300采用PROFIBUS現(xiàn)場(chǎng)總線與功能模塊FM354進(jìn)行通信。FM354專用于IFT5系列方波永磁同步電動(dòng)機(jī)所構(gòu)成的伺服定位系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)從簡(jiǎn)單的點(diǎn)到點(diǎn)定位控制到對(duì)響應(yīng)、精度和速度極高的復(fù)雜移動(dòng)控制。圖1是由FM354構(gòu)成的伺服定位系統(tǒng)的原理結(jié)構(gòu)圖 圖1 定位系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖 2 FM354的特點(diǎn)及方波永磁同步電動(dòng)機(jī)的工作原理 2.1 FM354伺服定位模塊具有如下功能 ①FM354是一種具有模擬量設(shè)定接口的微處理器控制定位模塊；②FM354是一種高性能的伺服控制定位模塊；③FM354模塊通過SIMATIC S7-300系統(tǒng)的用戶程序進(jìn)行控制；④通過伺服控制或開環(huán)控制，F(xiàn)M354模塊能夠進(jìn)行轉(zhuǎn)角和直線控制；⑤FM354具有多種工作模式；⑥FM354具有不易丟失數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)初始化數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)區(qū)；⑦FM354在不工作時(shí)，靜態(tài)功耗很小；⑧根據(jù)用戶的需要，通過對(duì)模塊的初始化，模塊可以適應(yīng)用戶的要求。 2.2 通過FM354模塊能夠?qū)ο铝写鎯?chǔ)區(qū)的數(shù)據(jù)進(jìn)行初始化 ①機(jī)器數(shù)據(jù)（MD）；②增量大小數(shù)據(jù)塊（SM）；③工具誤差數(shù)據(jù)（TO）：④用戶數(shù)據(jù)（user data blo－cks）。 這些數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)塊內(nèi)數(shù)字號(hào)1001到1239數(shù)字區(qū)內(nèi)（不包括用戶數(shù)據(jù)）。MD,SM,TO數(shù)據(jù)塊傳輸?shù)紽M 354 模塊并存留FM 354內(nèi)的存儲(chǔ)區(qū)內(nèi)。如果相關(guān)的功能沒有使用到,SM參數(shù),TO參數(shù)可以不要。用戶數(shù)據(jù)塊必須存儲(chǔ)在CPU內(nèi),并且只能在線存儲(chǔ).初始化數(shù)據(jù)（除用戶數(shù)據(jù)外）還能夠離線生成,編輯,保存到CPU內(nèi)。 2.3 方波永磁同步電動(dòng)機(jī)的工作原理 圖2 方波永磁同步電動(dòng)機(jī)構(gòu)成的伺服系統(tǒng) 圖2為一個(gè)典型的永磁同步電動(dòng)機(jī)傳動(dòng)控制系統(tǒng),它由永磁同步電動(dòng)機(jī)、逆變器、位置傳感器和控制系統(tǒng)四部分組成、典型的控制系統(tǒng)包括有位置控制器、速度控制器和電流控制器。用于矩形波電流控制的位置傳感器通常沿電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子表面兩個(gè)極距提供六個(gè)位置信號(hào)、互相錯(cuò)開電角度，每個(gè)位置信號(hào)觸發(fā)逆變器中的一個(gè)功率晶體管，使之在電角度內(nèi)導(dǎo)通，如圖3所示。 圖3 矩形波電流控制示意圖 圖3a中，位置信號(hào)和分別控制功率晶體管和的導(dǎo)通，即分別提供U相繞組的正、負(fù)電壓（電流）；和分別使和導(dǎo)通，從而分別提供V相繞組的正、負(fù)電壓（電流）；和分別控制和的導(dǎo)通,分別提供W相的電壓（電流）。在任一時(shí)刻，只有兩只晶體管（兩相）導(dǎo)通。例如，在之間，和導(dǎo)通，其空間合成矢量如圖3－3b中所示。在時(shí)，觸發(fā)功率晶體管導(dǎo)通，關(guān)斷，在之間，和導(dǎo)通，其空間合成矢量如圖中所示。從而電動(dòng)機(jī)定子繞組在氣隙中形成了理想的以電角度跳躍的磁動(dòng)勢(shì)矢量，如圖3b所示。這與由對(duì)稱的三相正弦波電壓供電的三相交流電機(jī)中的旋轉(zhuǎn)磁動(dòng)勢(shì)有點(diǎn)類似。正是這個(gè)以跳躍形式旋轉(zhuǎn)的磁動(dòng)勢(shì)帶動(dòng)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子，使之與定子磁動(dòng)勢(shì)以相同的轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)。從圖3a還可以看出，串聯(lián)兩相合成的定子磁動(dòng)勢(shì)在轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)電角度期間是靜止的，而且滯后于正向?qū)ǖ南啻艅?dòng)勢(shì)（電流，如果使觸發(fā)功率晶體管的位置信號(hào)位于U相軸線后產(chǎn)生，則功率角將在和之間變化，平均值為。 3 伺服定位系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn) 3.1 控制電路的硬件組成 如圖1所示，電路硬件由下列幾部分組成：①FM354：具有一個(gè)模擬輸出信號(hào)，用來激勵(lì)驅(qū)動(dòng)器的伺服定位控制模塊；②電源部分：電源供給模擬激勵(lì)信號(hào)并把合適的電功率傳輸給電動(dòng)機(jī)；③ 電動(dòng)機(jī)： 電動(dòng)機(jī)由電源部分供給的電能激勵(lì)并帶動(dòng)軸運(yùn)動(dòng)；④機(jī)械傳動(dòng)部分：它包括軸、齒輪變速箱和離合器系統(tǒng)；⑤編碼器（安裝在IFT5電動(dòng)機(jī)上）：編碼器測(cè)量軸的運(yùn)動(dòng)，并把測(cè)量的脈沖輸出給伺服定位控制模塊FM354。編碼器測(cè)量的脈沖數(shù)正比于轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動(dòng)的距離；⑥外圍電路：除了上述部分以外的電路通稱外圍電路。它主要包括：限制定位范圍的限位開關(guān)（安全設(shè)備）；編程設(shè)備（PG）和“初始化FM354”初始化軟件?；贔M354的交流伺服定位系統(tǒng)控制器電路結(jié)構(gòu)框圖如圖4所示。 圖4 伺服定位 系統(tǒng)控制電器電路構(gòu)造圖 3.2 系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì) 通過對(duì)駐留在FM 354模塊內(nèi)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器DB數(shù)據(jù)塊進(jìn)行設(shè)定，就完成了對(duì)伺服控制定位模塊FM 354的初始化編程。這其中對(duì)“機(jī)器數(shù)據(jù)”數(shù)據(jù)塊（DB－MD）的設(shè)定是最重要的，因?yàn)樗欧刂贫ㄎ荒KFM 354無論完成何功能，“機(jī)器數(shù)據(jù)”數(shù)據(jù)塊總是必須要的，而對(duì)于其它數(shù)據(jù)塊，只有當(dāng)FM 354模塊需要時(shí)，才對(duì)該數(shù)據(jù)塊進(jìn)行初始化設(shè)定。 FM354伺服定位系統(tǒng)中最重要的幾個(gè)初始化參數(shù)為：最大速度參數(shù)、加速度和減速度參數(shù)、位置環(huán)增益、平波時(shí)間常數(shù)。表1為機(jī)械參數(shù)設(shè)定與響應(yīng)的關(guān)系。 對(duì)于FM354參數(shù)設(shè)定，還要通過各種效驗(yàn)，看設(shè)定的參數(shù)是否合適，如果不合適，就加以調(diào)整。圖5為驅(qū)動(dòng)器的激活和檢測(cè)框圖。 圖5 驅(qū)動(dòng)器的激活和檢測(cè)框圖 從上面的過程可知，調(diào)試過程是很繁瑣的。圖6是設(shè)置為不同參數(shù)時(shí)的響應(yīng)比較。 圖6 不同參數(shù)時(shí)伺服位置控制的響應(yīng)比較 圖中橫坐標(biāo)為時(shí)間，單位為毫秒，縱坐標(biāo)為一相對(duì)量，沒有量綱。在調(diào)試過程中，要通過多次調(diào)試、修改才能得到滿意的參數(shù)，而這個(gè)參數(shù)也只能是對(duì)你所調(diào)試的系統(tǒng)可以稱為最優(yōu)，一旦所控制的系統(tǒng)發(fā)生一些改變，參數(shù)又要重新調(diào)整，而這個(gè)工作又是很繁瑣的，因此，我們可以對(duì)FM354進(jìn)行重新編程. 圖7 電機(jī)在200轉(zhuǎn)/分時(shí)的相電流波形 （注：圖中的電流波形為在電路中串一個(gè)10歐姆的電阻測(cè)得的電阻兩端的電壓） 圖8 電機(jī)在1700轉(zhuǎn)/分時(shí)的相電流波形圖 （注：圖中的電流波形為在電路中串一個(gè)10歐姆的電阻測(cè)得的電阻兩端的電壓） 4 電機(jī)實(shí)驗(yàn)運(yùn)行結(jié)果 在實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中，參數(shù)設(shè)定為：位置開環(huán)放大系數(shù)為1000系數(shù)倍；加速度和減速度為2000系數(shù)倍米/；平波時(shí)間為300ms。實(shí)測(cè)最低轉(zhuǎn)速可達(dá)0.1轉(zhuǎn)/分，最高轉(zhuǎn)速可達(dá)2000轉(zhuǎn)/分，低速運(yùn)行平穩(wěn)；啟動(dòng)時(shí)間小于4秒；速度無超調(diào)，位置超調(diào)小于0.5％；定位精度可達(dá)。實(shí)測(cè)電機(jī)相電流波形如圖7、8所示。 5 結(jié)束語 本文通過對(duì)智能模塊FM354所構(gòu)成的交流伺服定位控制系統(tǒng)原理分析和具體實(shí)現(xiàn)，從中可以看出，該系統(tǒng)具有調(diào)速范圍寬；低速運(yùn)行平穩(wěn)；啟動(dòng)加速度大，響應(yīng)快；速度環(huán)節(jié)無超調(diào)，位置超調(diào)很小；定位精度高；實(shí)現(xiàn)靈活簡(jiǎn)單，根據(jù)系統(tǒng)的不同可通過修改機(jī)械參數(shù)來滿足要求；但參數(shù)的優(yōu)化需要反復(fù)調(diào)試。