S7-200 PLC在交流伺服电动机运动控制中的应用

    交流伺服电动机驱动是最新发展起来的新型伺服系统，也是当前机床进给驱动系统方面的一个新动向。交流伺服电动机克服了直流电动机中电动机电刷和整流子要经常维修、电动机尺寸较大和使用环境受限制等缺点，能在较宽的调速范围内产生理想的转矩，结构简单，运行可靠，在数控机床等进给驱动系统较为精密的运动控制中得到了广泛应用。    一、交流伺服电动机工作原理    图7-37所示是交流伺服电动机的原理图，图中f和c表示装在定子上的两个绕组，它们在空间相差90°电角度。绕组厂由定值交流电压励磁，称为励磁绕组，绕组c是由伺服放大器供电而进行控制的，称为控制绕组，转子为笼型。
    图7-37   交流伺服电动机的原理图    交流伺服电动机的工作原理与单相异步电动机相似，当它在系统中运行时，励磁绕组固定地接到交流电源上，当控制绕组上的控制电压为零时，气隙内磁场为脉振磁场，电动机无启动转矩，转子不转。若在两相绕组上加以幅值相等、相位差90°电角度的对称电压，则在电动机的气隙中产生圆形的旋转磁场。若两个电压的幅值不等或相位不为90°电角度，则产生的磁场将是一个椭圆形旋转磁场。总之，若有控制电压加在控制绕组上，且控制绕组内流过的电流和励磁绕组内的电流不同相，则在气隙内会建立一定大小的旋转磁场。加在控制绕组上的信号不同，产生的磁场椭圆度也不同，改变控制信号，就可以改变磁场的椭圆度，从而控制伺服电机的转速。    由于交流伺服电动机在各类机电设备中一般作为执行元件，将交流电信号转换为机床转轴上的角位移或角速度，所以要求转子速度的快慢能够反映控制信号的相位，无控制信号时电动机不转动。特别是当交流伺服电机处于转动状态时，如果控制信号消失，电机立即停止转动。而普通的感应电动机转动起来以后，若控制信号消失，往往不能立即停止而要继续转动一段时间。    二、交流伺服电动机运动控制系统硬件设计    在本实例中，要求控制交流伺服电动机先低速正转，再高速反转，最后停车。其中，实现电动机的正转和反转以及转速控制需要通过电动机驱动器进行设计。PLC的作用就是对驱动器进行控制，开启或关闭这些功能，从而实现对交流电动机的控制。    1．输入/输出信号分析    交流伺服电动机运动控制系统硬件组成示意图如图7-38所示，根据此硬件组成示意图以及上述的控制要求，可知该运动控制系统的输入信号有：电动机的启动和停止按钮各1个，共2路输入信号，需2个输入端子。
    图7-38    交流伺服电动机运动控制系统硬件组成示意图    输出信号：驱动电动机运行的驱动器1个，控制电动机运行方向（正转或反转）的输出信号1个，共2路输出信号，需2个输出端子。    2．PLC的输入/输出分配表    根据图7-38所示的交流伺服电动机运动控制系统硬件组成，以及交流伺服电动机的运动控制系统的输入/输出信号分析，可设计如表7-8所示的PLC主机的输入/输出分配表。    表7-8    交流伺服电动机运动控制系统I/O分配表
    序号     地址     名称     功能说明     2路数字输入信号     1     I0.0     启动按钮     启动交流伺服电动机     2     I0.1     停止按钮     停止交流伺服电动机     序号     地址     名称     功能说明     2路数字输出信号     1     Q0.0     启动驱动器     通过驱动器驱动电动机运转     2     Q0.1     参数输出     输出控制电动机运行的参数     3．PLC的选型    根据表7-8中的PLC输入/输出分配表，参看第2章表2-1，本实例选择S7 - 200系列PLC中的CPU221作为控制主机。    4．硬件接线图    根据表7-8所示的PLC的输入/输出分配表，可以画出如图7-39所示的PLC主机的硬件接线图。
    图7-39    交流伺服电动机运动控制系统PLC主机的硬件接线图    三、交流伺服电动机运动控制系统软件设计    在本系统中，由PLC控制驱动器，伺服电动机的正转和反转以及转速控制通过在电动机的驱动器上设置参数进行控制。交流伺服电动机运动控制系统的PLC梯形图和语句表如图7-40所示。
    图7-40    交流伺服电动机运动控制系统的PLC梯形图和语句表    (a)梯形图；(b)语句表