基于S7-1200的伺服电机控制系统设计

3伺服电机的硬件设计基于S7-1200的伺服电机控制系统设计DesignOfServoMotorControlSystemBasedOnS7-1200致谢感谢老师在毕业设计中，选择了我，带领我完成大学中最后一份任务。设计中，无论我们是啥你不会的问题他都会细心解答，当然我们不细心，不努力都会使您生气，但您却是我所尊敬的老师。因为您的治学严谨，学识渊博，视野广阔，思考深刻，让我的论文变得更加严谨。我也要感谢一下和我一起完成毕业论文小组的同学们，因为我们之间的相互交流，帮我解决了许多困扰我的困难和疑惑，最终能够让我的论文可以顺利完成。摘要在中国经济快速发展的情形下，制造业的规模化生产需求也变得越来越大，快速，稳定成为了制造业发展的趋势，而伺服电机又是当今制造业的一颗闪亮的明珠。因此，成为了控制领域的研究热点话题之一。而控制电机也相应的成为了热门话题，伺服电机是指在伺服系统中控制机械元件运行的发动机，是一种补助马达间接变速装置。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和转速以驱使控制对象。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化为电动机轴上的角位移或角速度输出。分为直流和交流两种，其主要特点是，当电压为零时无自转现象，转速随着转矩的增加而匀速下降。并且我们在可编程序逻辑控制器（PLC）问世之前，继电器接触器控制在工业控制领域中占了很大一部分比例，但其也有很大缺点，就是其灵活性和可靠性都不是很优秀，后来的可编程序逻辑控制器（PLC）的诞生，其灵活性和可靠性都得到了显著的改善，因而当PLC系统逐步占领工业控制领域后，继电器控制几乎已经推出了历史舞台。本文通过对伺服电机系统的学习与分析，先是介绍了伺服电机运动控制系统的设计要求，然后针对伺服电机的工作特性进行阐述，接着对伺服电机与S7-1200PLC的硬件设计入手，最后在TIA博途V14软件中对运动轴进行组态和编程，并在WinCC软件中设计画面，从而进行控制。该论文有图幅，表个，参考文献篇。关键词：S7-1200;伺服电机；博途V14；AbstractWiththerapiddevelopmentofChina'seconomy,thelarge-scaleproductiondemandofmanufacturingindustryhasbecomeincreasinglylarge,fastandstable,whichhasbecomethedevelopmenttrendofmanufacturingindustry,andservomotorisashiningpearloftoday'smanufacturingindustry.Therefore,ithasbecomeoneofthehottopicsinthefieldofcontrol.Andthecontrolmotorhasbecomeahottopiccorrespondingly.Servomotorreferstotheenginewhichcontrolstheoperationofmechanicalcomponentsintheservosystem,anditisakindofauxiliarymotorindirectspeedchangedevice.Theservomotorcanmakethecontrolspeedandpositionaccuracyveryaccurate,andcanconvertthevoltagesignalandspeedtodrivethecontrolobject.Therotorspeedoftheservomotoriscontrolledbytheinputsignalandcanreactquickly.Intheautomaticcontrolsystem,itisusedastheactuatorandhasthecharacteristicsofsmallelectromechanicaltimeconstant,highlinearity,startingvoltage,etc.itcanconvertthereceivedelectricalsignalintotheangulardisplacementorangularspeedoutputonthemotorshaft.Itcanbedividedintodirectcurrentandalternatingcurrent.Itsmainfeatureisthatwhenthevoltageiszero,thereisnoselfrotation,andthespeeddecreaseswiththeincreaseoftorque.AndbeforePLCcameout,relaycontactorcontrolaccountedforalargeproportioninthefieldofindustrialcontrol,butitalsohasagreatdisadvantage,thatis,itsflexibilityandreliabilityarenotverygood.Later,thebirthofPLC,itsflexibilityandreliabilityhavebeensignificantlyimproved,sowhenPLCsystemAftertheUnitedgraduallyoccupiedthefieldofindustrialcontrol,relaycontrolhasalmostlaunchedthestageofhistory.Throughthestudyandanalysisofservomotorsystem,thispaperfirstintroducesthedesignrequirementsofservomotormotioncontrolsystem,thenexpoundstheworkingcharacteristicsofservomotor,thenstartswiththehardwaredesignofservomotorands7-1200plc,finallyconfiguresandprogramsthemotionaxisinTIAportuV14software,anddesignsthepictureinWinCCsoftwaretocontrolit。Thispaperhaspicture,tableandreference.Keywords:s7-1200;servomotor;botu;目录摘要…………………=1\*ROMANI目录…………………=5\*ROMANV1绪论………………1概述……………12伺服电机工作原理…………………72.1伺服电机的数学模型……………73浮选柱的旋流场结构……………213.1浮选柱分选机理………………21……………6浮选动力学……………………716.1柱体背压的影响………………716.2循环矿浆压力的影响…………726.3循环矿浆量的影响……………76……………8结论……………107参考文献…………111翻译部分……………….…………115ContentsAbstract………………=1\*ROMANIContents………………=5\*ROMANVIntroduction…………11.1Introduction………………………12ExperimentResearchofColumnFlotation…………………72.1PresentResearchofColumnFlotation…………………7……………3StructureofCyclonicFieldofColumnFlotation………213.1SeparationMechanismofColumnFlotation………………213.2CyclonicFieldofColumnFlotation…………25……………6FlotationKineticsofColumnFlotation………716.1InfluenceofBackPressure…………………716.2InfluenceofPressureCirculating…………726.3InfluenceofIntensityofCyclonicField……76……………8Conclusions……………………107References………………………1111绪论1绪论1Introduction概述（Introduction）在中国经济快速发展的情形下，制造业的规模化生产需求也变得越来越大，快速，稳定成为了制造业发展的趋势，而伺服电机又是当今制造业的一颗闪亮的明珠。因此，成为了控制领域的研究热点话题之一。而控制电机也相应的成为了热门话题，伺服电机是指在伺服系统中控制机械元件运行的发动机，是一种补助马达间接变速装置。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和转速以驱使控制对象。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化为电动机轴上的角位移或角速度输出。分为直流和交流两种，其主要特点是，当电压为零时无自转现象，转速随着转矩的增加而匀速下降。并且我们在可编程序逻辑控制器（PLC）问世之前，继电器接触器控制在工业控制领域中占了很大一部分比例，但其也有很大缺点，就是其灵活性和可靠性都不是很优秀，后来的可编程序逻辑控制器（PLC）的诞生，其灵活性和可靠性都得到了显著的改善，因而当PLC系统逐步占领工业控制领域后，继电器控制几乎已经推出了历史舞台研究目标本实验主要研究目标是：在基于S7-1200PLC的基础上对一款B2系列伺服电机驱动器参数调剂的原理和步骤，最后在用TIA博途V14软件中对运动轴进行组态和编程，并用S7-1200PLC的PTO功能实现了精准的运动控制1.1.2国内外研究现状中国产业调研网发布的中国伺服电机行业现状调查分析及市场前景预测报告写出：我国的伺服电机市场份额23多亿，比去年增加了10.2%，从2011年起由于我国的相关政策，我国的伺服电机市场逐渐增加。但在2012年在受国际经济市场动荡的影响和国内的需求不足、产能过剩等，伺服电机的市场份额持续减少直到2013年底才回温。首先分析国内购买因素，主要是由于稳定可靠性、价格和服务、这也就可以解释为什么我国的市场份额为什么处于较低状态，主要是对性能和功能的充分利用没有重视。所以想要增加国内份额必须注重产品的性价比比、可靠性、技术含量、以及市场份额和品牌影响力。当今，国外品牌占据了中国伺服电机市场的75%，品牌市场主要来自日本和欧美。而日本占据了45%的份额，其下具有多个著名品牌如：松下、三菱、安川、三洋、富士等，并且其产品的技术和性能都符合中国标准，具备较好的性价比和较高的可靠性从而获得了稳定且持续的客户源。特别是在中小型OEM市场上几乎处于垄断地但是虽然国内所占比重低，但在随着近几年国家的重视，其国内品牌也得到了持续的发展，获得了一定市场认可，其中比较具有代表性的如：华中数控、广州数控等，同时也有许多新的企业加入伺服电机行业，比如：深圳的英威腾、汇川科技、大连的安迪等，由此在不久中国在其相关行业所占份额将不断增加，中国与国外的差距将不断减少。1.1.3本文主要研究内容1、Prote199se绘制伺服电机驱动器的原理图并且制作电路板。2、该任务有软件的要求因此需要学习PLC程序的编写，所以要掌握相关的PLC的基本知识和S7-1200的相关知识，如：SIMATICS7-1200系统有五种不同模块、集成的PROFINET接口、SIMATICS7-1200集成技术、PLCopen运动功能块、驱动调试控制面板、PID调试控制面板等都需要知道。3、徒软件编写VCC画面和进行仿真实验。4、真实验无误后，进行上机实验。1.1.4伺服电机发展历程及趋势伺服系统从诞生到现在已有一段较长的时间，大致可分为三个阶段：在二十世纪六十年代以前，主要是以步进电机作为执行机构的液压伺服控制系统，且位置环基本上采用开环控制。该伺服系统的优点是响应较快、结构简单、可靠性较高等，同时有效率不高、发热严重、控制精度较差等缺点。到二十世纪六、七十年代，有刷直流电机因其调速性能良好、控制精度高、方便控制，以有刷直流电机作为执行机构的伺服控制系统逐渐占据主要地位。但是，随着有刷直流伺服控制系统的应用，人们也逐渐发现其中存在的问题：（1）由于采用机械换相，会产生电火花，因此环境适应能力较差；（2）采用机械换相，电刷长时间磨损容易坏，因此寿命短、可靠性不高；（3）电刷换向器等部件的维护成本高；（4）结构较为复杂，体积庞大。这些问题的存在直接限制了有刷直流伺服系统的应用，且难以找到行之有效的解决办法。因此，人们一直期望找到其他更加满足伺服控制要求的电机来取代有刷直流电机。在二十世纪八十年代后，得益于稀土永磁材料的研究取得突破性进展，尤其是在有“磁王”之称的钕铁硼出现以后，稀土永磁电机得到了快速发展。与此同时，电力电子开关器件、微处理器、传感器以及电机控制理论的飞速发展，有力地推动了交流伺服系统的发展和应用PMSM作为交流电机种类之一，具有功率密度高、效率高、动态性能好、可靠性高以及维护简单等优点，使其从众多电机中脱颖而出，成为伺服电机的首选。随着交流伺服系统的不断发展，出现了一些趋势：（1）交流化在矢量控制算法出现之前，交流电机的控制性能还难以和直流电机相媲美。但是，随着对矢量控制以及其他先进控制算法研究的深入，交流伺服系统相较直流伺服系统而言更加符合伺服控制要求。目前，无论在学术研究领域还是市场应用，伺服系统交流化都是主要趋势。（2）数字化高性能微处理器的出现使伺服系统的数字化控制成为现实。和传统的模拟系统相比，数字化控制系统在精确度、稳定性、响应速度等方面都有着绝对优势。现在已经出现了专门应用于电机控制领域的32位单片机（MicrocontrollerUnit，MCU）和数字信号处理器（DigitalSignalProcessor，DSP）。微处理器是连接硬件和软件的一个桥梁，各种控制算法都可以通过软件编程实现，使用起来非常灵活方便。（3）集成化采用分立元件搭建的逆变电路以及驱动电路体积较大、散热不方便，还有较大的电磁干扰。第四代电力电子开关器件智能功率模块（IntelligentPowerModule，IPM）将逆变主回路、光耦隔离电路以及桥臂驱动电路等集成于一体，还具有过热、过欠压、过流等保护功能，在提高控制性能的同时，大幅缩小了电机驱动器的体积。未来，还有可能将驱动器和电机做成一个整体，形成一个高度集成化的伺服控制系统。（4）智能化随着人工智能的兴起，“智能”一词变得非常热门，伺服控制系统的智能化也是一大发展趋势。伺服控制系统的智能化具体表现在自动进行电机参数适配及整定、具有故障自诊断、陷波滤波器以及参数记忆等功能，同时还有智能控制策略的运用，如神经网络、模糊控制等。随着伺服控制系统智能程度的深化，技术人员将从复杂的调试过程中解放出来，有效提高伺服控制系统的使用效率。（5）通用化通用化是指伺服驱动器可以通过参数设置切换不同的控制算，如V/F控制、矢量控制等，进而控制不同类型的电机，如异步电机、PMSM等。真正实现“一机多用”，大大增加驱动器的使用范围。（6）网络化工厂自动化(FactoryAutomation，FA)工程技术是以工业局域网为基础发展起来的，并表现出较好的效果。如今伺服控制系统都具有一定数量的总线通信接口，方便将多个伺服控制系统连接起来，进而实现多个伺服控制系统的协调控制。另外，还能将各个伺服控制系统的运行状态和参数上传给上位机，并通过人机界面显示出来，进而实现数据共享，有效提高生产效率。2伺服电机工作原理2伺服电机工作原理2.1伺服电机的数学模型本文所说的伺服电机主要指的是带转子位置信息反馈的表贴式三相交流永磁同步电机，这种电机是一个主要特点是它的转子上没有绕组，稀土永磁体代替了通电线圈均匀分布在转子铁芯的表面，让其在匀速旋转时产生的反电势波形是三相正弦波，这是伺服电机区别与其他电机的主要特点。而在三相静止坐标系下，伺服电机需要使用非线性、变系数的微分方程来描述，但是这样的方程是很难分析的。但是如果我们使用Clark变换和Park变换就可以很巧妙的解决上诉问题，这两种非线性变换将伺服电机从三相静止坐标系意义下的复杂的非线性系统变换成了简单的线性系统，这样伺服电机的数学模型就会被大幅度简化掉。2.2伺服电机的磁场定向控制方法FOC和DTC是目前交流电机控制领域的主要两大控制框架。但是相对于DTC，FOC发展地更加成熟，所以市场上绝大多数伺服驱动器都是用FOC。而带转子位置传感器，采用控制策略的FOC控制逻辑都是如图所示由图可知，伺服电机速度控制是由电流环和速度环组成的。并且，电流环是内环，其中由直轴电流环和交轴电流环一同组成，然而速度环是外环。电流环的三相定子电流反馈是通过电流检测器实现的，比如霍尔电流传感器；速度环的转子速度反馈通过转子位置传感器实现，比如光电编码器；速度环的输出量是交轴电流环的参考电流，而直轴参考电流始终保持为0A。参考电流依次经电流环、逆Park变换、SVPWM信号生成器和三相两电平逆变器后实现对伺服电机定子电流的闭环控制，参考速度也是首先经过速度环转换为参考电流，然后实现对伺服电机转子速度的闭环控制。所以，定子相电流检测精度、转子位置检测精度和转子速度检测精度是影响FOC算法的性能的主要因素。在设计伺服驱动器时，要把它们放在核心位置进行考虑。2.3伺服电机的启动过程与启动平稳度伺服电机在工作在速度控制模式或者位置控制模式下，由于速度环是位置环的内环，所以在速度控制模式下对伺服电机的启动过程的研究有了工程的普遍性。2.3.1伺服电机启动过程的定义在控制模式下，伺服电机一般先由静止状态过渡到以目标速度旋转的恒速运行状态。但是在显示情况下，为了保护设备和人员的安全，伺服电机又必须用足够大的力矩来防止转子的位置会受到负载的影响发生改变，人们一般称之为“伺服锁定”或者“ServoOn”。一般来说伺服电机的启动都是包括两个阶段的。第一是过渡阶段，就是电机由伺服锁定状态过渡到非零速度状态的过程；其次就是运行阶段，就是电机以某个速度一直运行的过程。在受到不同工业场合的要求下，伺服电机需要在这两个阶段都能够实现顺利的平稳运行。2.3.2伺服电机启动震动现象的界定伺服电机的启动是很平常的现象，当然造成这个情况有很多。但主要分为四点种情况：伺服驱动器电路异常一般而言，伺服电机的损坏会使驱动电机的三相电压失衡有的甚至缺相，在这些情况下，电机就会发生剧烈的振动甚至烧毁掉。伺服电机本体异常由于伺服电机的定子或者转子出现了机械故障，从而导致电磁力作用的异常，因此引发振动。伺服电机与机械负载发生谐振机械负载本身就有一个固定的谐振频率，如果说电机和机械负载的固定振动频率接近的话，就会产生谐振现象，从而放大振动。2.4矢量控制控制系统对电机而言是十分重要的。而矢量控制又是公认的是一种高性能的一种控制方式，也在许多领域已经得到了比较成熟的应用。矢量控制就是对定子电流矢量的幅值以及相对于励磁磁场的相位进行控制，通过坐标变换把定子电流矢量分解到dq轴旋转坐标系中，实现励磁和转矩的解耦，d轴上的电流分量是和励磁磁场对应的，而q轴上的电流分量是和电磁转矩相对应的，通过对两个分量分别进行控制，从而达到控制永磁同步电机的目的。但是由于应用场合的不同，矢量控制方法也相应不同，主要有：最大转矩电流比控制、弱磁控制以及恒磁链控制等最大转矩电流比控制最大转矩电流比是通过约束电流极限圆，从而构造极限函数求得在相同输出转矩下的最小定子电流。但是这个方法也有很大的缺陷，相较其他的控制方法，这种方法产生的铜耗是十分小。但同样存在随负载的增加会引起功率因数变低的问题。弱磁控制弱磁控制是想要增大电机的调速范围。电机在运行过程中需要保持电压稳定，即施加在定子绕组上的电压要与反电动势保持平衡（忽略定子电阻上的压降）。随着转速增加，反电动势变大。当定子绕组电压达到额定电压时，反电动势就不能再继续变大。在d轴上产生一个削弱励磁磁场的电流，可以保证转速上升时反电动势不变，这就是磁升速的原理。由于电流极限圆的限制，轴电流的产生将导致q轴电流减小，因此随着弱磁程度的加深电机输出转矩也越来越小。恒磁链控制恒磁链控制主要是通过控制定子电流使电机全磁链与定转子相交的磁链始终保持相等。该方法的功率因数比较高，有很好的稳定性，但是也有很大的缺点，就是电机最大输出转矩会受到限制。2.5SVPWM调制技术空间电压矢量脉宽调制技术（SpaceVectorPulseWidthModulation，SVPWM）是一种高控制性能脉宽调制技术，目前应用也比较成熟。SVPWM的控制思想是通过控制逆变器的6个开关管组成的特定的开关模式，使得逆变器输出接近于理想正弦波的电流，最终会在空间中得到一个理想的圆形旋转磁场。相比SPWM脉宽调制技术，SVPWM的母线电压利用率提高了15%左右,并且数字化实现更加容易。因为SVPWM具备了这些优势，因此它被更加广泛的应用在了电机控制领域。SVPWM调制算法实现SVPWM调制一般分为七段式和五段式这两种，但是实验中一般常用的是七段式SVPWM，所以这里只对七段式SVPWM进行详尽的阐述。SVPWM的实现重要是用了扇区边沿的有效电压矢量以及零矢量的特定组合从而来等效得到其他的电压矢量。但是这里主要涉及到三个问题：首先是基本电压矢量作用时间的确定；以及基本电压矢量作用顺序的确定；还有就是期望合成的电压矢量所在扇区的确定。基本电压矢量作用的时间的确定根据平行四边形原则，可得：将Us分解到复平面，有：将上面两个式子的实部与虚部分别相等，可以得到：式子（2.34）中Us为电压矢量幅值；Ts为PWM周期；Ud为直流母线电压；为扇区内合成电压矢量的角度；T1,T2表示扇区边沿前后两个有效基本电压矢量作用时间。定义调制制度为：则式（2.34）可写为：当T1+T2<Ts时，多出的时间由零矢量U0或者U7补充，即：1.2基本电压矢量作用顺序的确定基本电压矢量作用顺序的主要原则是尽可能的减少开关次数从而达到降低开关损耗，并且使PWM的波形对称从而减少谐波分量。但是每个扇区的有效基本电压矢量只有两个，只要在这两个有效基本电压矢量中查入零矢量U0和U7就可以到这上面的要求。就拿第一扇区而言，第一扇区边沿有效基本电压矢量是U1和U2，那么如果我们在PWM波形两边插入零矢量U0的话，在PWM波形中间插入零矢量U7，就这样第一扇区的基本电压矢量的切换顺序是U0U1U2U7U2U1U0。我们可以发现不同的电压矢量的切换只是一个开关管工作，在一个PWM周期下，一个开关管开关一次，同时PWM波形是左右对称的。七段式SVPWM波形如下所示：1.3期望合成电压矢量所在扇区的确定一般人们是通过期望所合成电压矢量的角度能确定其所在的扇区。六个不同的有效基本电压矢量会将一个电压周期分为六个不同的扇区。第一个扇区是0度到60度，第二个扇区是60度到120度，以此类推。在我们确定好不同扇区所对应的角度后，会根据合成的电压矢量的角度就可以判断其所在的扇区了，继而确定SVPWM波形。综上，SVPWM算法是控制三相逆变桥的六个开关管以一定的顺序和时间进行动作，从而在电机空间内形成一个圆形的旋转磁场。理论上，PWM周期越小，形成的旋转磁场就越接近于圆形，但受开关器件的开关频率限制以及开关损耗的影响，PWM周期不能设置太小。2.6电压矢量直接调制法伺服电机控制对快速性、超调量和稳态精度都着很严格的要求。一般我们是用三闭环控制结构，其中位置环为比例调节器，速度环和流量环为比例积分调节器。但是，在转子接近给定位置时，位置偏差较小，系统一般需要较长的调剂时间；当加大调节器参数时，就可以减小调节时间，但是又会产生过大的超调量。所以传统的控制方法难以同时满足快速性和低超调的要求。但是为了满足永磁同步电机对快速、高精度以及低超调方面的要求，因此电压矢量直接调节法就诞生了。这个方法是用调节电压矢量幅值和角度来控制转子快速转到给定位置具体如下所示：（1）假定给定位置为正脉冲数，即转子沿顺时针方向旋转至给定位置。在转子未达到给定位置时，控制方法采用传统三闭环结构。当转子位置达到给定时，如图2.11（a）所示，记录此时的电压矢量幅值和转子电角度。将记录的电压矢量幅值和转子电角度作为初始定位电压矢量的幅值和角度。由于数字控制系统的间断性与延迟性，记录的初始定位电压矢量与给定位置会存在一定的偏差。在初始定位电压矢量作用之前，转子还有一定的速度，因此仍然会顺时针旋转。（2）初始定位电压矢量作用后，转子开始朝初始定位电压矢量旋转，如图2.11（b）所示。（3）经过一段时间后，转子转到与初始定位电压矢量一致的角度，初始定位完成，但初始定位完成后仍存在一定的位置偏差。（4）当转子位置与给定位置存在负偏差时，减小电压矢量的角度，同时增大电压矢量的幅值，使转子尽快朝给定位置旋转，如图2.11（d）所示。（5）当转子位置与给定位置存在正偏差时，增大电压矢量的角度，同时增大电压矢量的幅值，使转子尽快朝给定位置旋转，如图2.11（e）所示。（6）经过不断调节后，电压矢量角度、转子角度与给定位置三者相一致。为了保证定位偏差为零时电机出力最小，需调节电压矢量幅值，而电压矢量角度保持不变。当位置偏差为零时，减小电压矢量幅值，当位置偏差不为零时，增大电压矢量幅值。最终使电压矢量幅值保持在能使位置偏差为零的一个最小值（电机定位转矩需要值），幅值调节完成后定位结束。3伺服电机的硬件设计3伺服电机的硬件设计3.1伺服系统的基本硬件结构伺服系统的硬件结构框图如下图所示。其中实线框内的核心主电路是逆变器，它是用来驱动电机的，用做功率交换的，而虚框内是以DSP为核心的控制电路，除此以外则是伺服电机部分。主电路和控制电路是伺服驱动器的硬件结构的主要内容。主电路一般是以三菱公司的IPMPS21963-4A逆变器芯片为核心的，主电路的所能实现的功能主要可以分为一下几点：1.整流电路：交流电通过整流电路变成直流电从而为逆变器提供电源；2.逆变电路：接受DSP输出PWM控制信号的逆变电路，完成功率的变换；3.电流检测电路：检测逆变器输出的电流反馈到了控制电路之上来。控制电路是以TI公司的C2000系列的DSP28335芯片为核心，控制电路：完成矢量控制的算法；提供伺服驱动器的保护机制；通过键盘和数码管提供人机交互功能。伺服电机是选用的米格永磁同步电机，功率为750W，额定电流为2A，额定转矩2.39N，额定转速3000r/min，极对数为4，编码器类型为14芯增量式编码器，即带UVW差分信号的2500线编码器。3.2电源电路设计电源电路的主要作用式为了IPM和电路中的芯片提供电源。电路中的电压只要分为三种，分别为311V，3.3V和1.8V.正如上图所示，LIC和L2C接的式220的交流电，14K385为压敏电阻，它一般的功能式去保护电路用的。又由于加在压敏电阻上的电压是低于它的阈值的，所有流过它的电流是很小的，所以它就相当于一个阻值超级大的电阻，相当于一个断开的开关一样。当加在压敏电阻上的电压超过它的阈值时，流过它的电流会激增，它就相当于阻值十分小的电阻一样，相当于一个闭合状态的开关一样。从而保护了电路器件的安全性。一般而言DSP的供电电压是分为两类的，一种是内核1.8V还有一种是3.3V电压。而电路设计中采用的1117稳压芯片，电路图如下所示。3.3主电路的设计主电路的设计流程图一般如下所示，DSP在输出6路PWM信号后，先经过缓冲器的处理，用来满足光耦芯片的输入要求，光耦芯片实现电气隔离，光耦信号进入IPM后，信号在IPM中会以此经过驱动电路和逆变电路，最后输出所需要的三相交流电。3.3.1控制电路控制电路如下文所示，图中PWM1~PWM6为DSP的输出的控制信号，缓冲芯片一般选用的是TI公司的八路缓冲/驱动器芯片SN74CT244PWR，该芯片支持最大的载波频率是20KHZ、能满足该芯片的频率的需要。DSP输出的6路PWM信号，首先要接上拉电阻，电压是3.3V，芯片供电电压VCC为5V，低电平有效，输出侧一般接上10欧姆的小电阻，用来防止光耦对缓冲芯片的干扰。相同的输出侧一般是接上5V的上拉电阻，用来满足输入侧的功率要求。3.3.2光耦隔离电路为了保护控制电路，主电路一般会加入光耦隔离电路，用来保护电路。该电路选择的是AVAGO公司的LTV-314NW-TAI驱动光电耦合器芯片，该芯片的特点就是可以快速的跟随输入信号，最大的输出电流峰值是0.6A，供电电压的范围为10V~30V。光耦芯片的是原理是：原边侧导通时，会使发光二极管导通，然后是副边侧也会被带着导通，副边侧一般就相当于三两个三极管串联而成。就以U相信号进行电路设计，光电隔离电路如下所示：在这电路中，光耦芯片的电压是为15V，Uout和U-out为上面所说的驱动电路的输出信号。光耦有两个输入端，分别为ANODE和CATHODE，阳极和阴极之间相当于一个二极管，只有在阳极的电压比阴极的电压高时，光耦原边侧就会导通，从而副边侧也会导通，引脚VO输出就会输出高电压。在光耦输出端，加入RC滤波电路，输出信号为UP和UN.电路分析：Uout和U-out为互补信号，Uout信号接上光耦的阴极和光耦的阳极，U-out信号接上光耦的阳极和下光耦的阴极。当Uout为高电平时，U-out为低电平，此时上光耦不会导通，输出UP信号为低，下光耦导通，输出UN信号为高；当Uout低U-out高时，与之相反。对于电阻R1和R2的取值可以参考相关文档，这里取值100。3.3.3IPM电路IPM芯片选用三菱公司的IPMPS21964-4A集成芯片，该芯片一般用600V电压，一般给小功率电机的三相逆变器驱动，性能也符合所选的伺服电机。该芯片是高度集成的芯片，芯片中集成了驱动电路，逆变电路和保护电路等。3.3.4电流采样电路设计一般人们常用的电流采样方案是用霍尔元件采集法和串联电阻采集法。采用霍尔元件采集电流时，精度高，响应快以及对输出电流影响小等优点。本章就是以霍尔元件为基础，设计基本的电流采样接口电路的。就以TAMURA公司的霍尔元件为例。这款传感器电流在100安培以内，它的线性度依旧保持很好，比例系数都是为0.1。电流采样电路就如下图所示.霍尔元件的输入侧IN+和IN-串在IPM输出的U相信号中，输出侧则会根据电的大小，输出相应的电压值给DSP的AD模块。图3.8中U信号连接到IPM输出U端口，U连接到电机的电源线，电阻R5用来调节电压信号的幅值，电阻R4用来调节电压信号的偏移量，通过这两个电阻的调节，可以将霍尔传感器输出的电压值调节在0~3.3V的电压范围。图中的两个稳压管起保护作用，当ADC1电压高于3.3V时，DQ1二极管会导通，输入给芯片的电压会始终等于3.3V；当ADC1的电压为负电压时，D2会导通，输入给芯片的电压会始终等于0V。3.3.5反馈电路的设计一般编码器输出的信号都需要使用编码器来输入给DSP，但是长距离的信号传输一般会出现信号干扰和波形失真等不良现象。所以一般而言，人们在信号接入到DSP引脚之前，需要加入反馈电路，用作滤波、或者是整形和电平转换的处理。以用来保证DSP能根据所得到的编码器的信号从而准确地处理伺服电机位置和速度等信号。米格伺服电机的编码为14芯的增量式编码器，分别为A,B,Z,U,V,W的信号，5V电源和地，其中A,B,Z信号一般被用做反馈电机的位置和速度信号处理，而U,V,W则是一般被作为转子初始位置的判定处理，都是用差分信号的形式来输出的。3.3.6差分信号的滤波以及处理电路首先要是先对信号进行滤波以及差分处理，该文章是选用TI公司的四路差动线路接收器集成芯片AM26LS32AID，以A路的差分信号为例，如下图所示。INA+,INA-为编码器的输出的A路差分信号。一般而言这两个信号都会被先做一个上拉的处理用来增强传输能力，之后在经过电阻R14做一个阻抗匹配的处理，用来减弱波形在信号的上升以及下降沿产生的震荡现象，再用两个都为100皮法的电容做个一个低通滤波的处理，最后得到一个较为完美的差分信号INA+和INA-。上图中，芯片的3引脚OA是差分信号处理后的输出信号INA*，4引脚EN为使能信号，高电平有效。3.3.7电平适配转换电路DSP的GPIO引脚口对输入的信号要求极高，一般电压要求是不得大于5V，这样会烧坏芯片，通常的电压要求是3.3V。所以会设计电平适配转换电路，去保证DSP的正常运行。本电路中，用了SN74LVC14DR的芯片，A是表示输入，而Y则是表示输出，电源电压一般为3.3V，该芯片是一个六角施密特触发的反相器。而此电路一般为了将+5V转化成3.3V的电平电路，施密特触发器再进一步将信号进行整形，从而生成理想的方波。3.4主程序的设计从应用的角度而言，软件程序可以分为人机交互程序和控制程序。人机交互程序就是指对键盘输入和参数显示的处理，控制算法可以分为主程序和中断处理程序。主程序实现的功能包括了：对于PLC的初始化，对用户自定义初始化等。其中中断处理程序有PWM周期中断，串口中断和编码器中断和报警中断等。系统主程序流程图就如上图所示，系统初始化主要包括了PWM模块，DEP模块，通讯模块和用户自定义变量的初始化。3.5PWM中断程序PWM的中断程序是整个软件系统的核心部分，就一般而言我们所说的矢量控制算法主要是在PWM中断程序里面完成的。在一般的PWM中断程序中我们会实现以下作用：电流采集，坐标变化，过载保护，位置控制，速度控制，电流控制以及SVPWM算法的实现等等功能。一般根据开关管所准许的最大开关频率和控制系统的性能要求而言，设定载波频率为10kHz，即PWM的频率为10kHz。由第二章的分析可知，PWM信号为对称式输出，PWM模块的时钟频率为150MHz，设置PWM模块中的时基计数器的计数模式为先递增后递减模式，周期寄存器的值为7500。根据SVPWM求出切换时间，转换成比较寄存器的值，设置比较事件来临时，动作模块为置高和清零动作，以满足互补PWM信号的输出。3.6电机位置和速度计算对于PMSM实时速度和位置的反馈，一般我们是用编码器来实现的。光电编码器有很多优点如：精度高，抗干扰强。所以光电编码器已经成为了目前伺服电机最常用的传感器之一。一般的光电编码器的码盘上有着均匀的刻着一定数量的光栅，并且光栅的一侧是有光源的，而另一侧则有着光源接受传感器。而编码器是安装在伺服电机的尾部的，会跟着电机轴的旋转而旋转的。它的结构和输出的信号就如下图所示，并且实际信号为差分信号。而且码盘的精度决定了转子的位置和速度等信号的精确度。与此同时，又受着工艺的影响和生产的要求，码盘上的光栅不会数目太多。现在的伺服系统里，所用的增量式的编码器的精度规格一般是2500线的。而本文所用的伺服电机则是采用了这种精度很高的增量式光电编码器。我们在生活中一般遇见的测速方法主要有M法，T法还有M/T法。M法的测试主要是用了：设定一定时间去测量脉冲的数量，通过脉冲的数量和时间的不同来确定电机的转速，这个方法的脉冲个数越是多，它的误差就越是小，所以十分适合在高速的场合下应用。而T发则是通过给定一定脉冲，去测时间，所以在日常生活中被用于低速测速。M/T法的思想是，在规定的时间内，同时测量脉冲个数以及高频脉冲个数，通过脉冲的个数和高频脉冲的个数去计算速度。M/T法的测速原理如下所示。这种方法是结合了M法和T法两种测速方法的优点，所以说无论是在测量高速还是低速都是可行的，都可以达到一定要求的精确度。如果我们假设高频脉冲的频率是f（QEP模块中的高频脉冲频率为150MHZ），码盘一圈输出的脉冲个数是P，所用的公式为：EQEPQ的详细设计过程如下面所示：先是设定定时器的时间，就是检测频率，我们所用的检测频率为20kHZ，所以说检测周期为Ts=1ms。而处理器的时钟则是用了150MHZ，则将周期寄存器模块QUPRD设置为150000，同时使能UnitTimer功能，当时间到来时，会产生UTOUT事件。设置QCAPCTL[UPPS]设为0，即每个位置脉冲都会产生一个UPEVENT事件，该事件会自动将QCTMR寄存器清零。设置QEPCTL[QCTL]设为1，当UTOUT事件到来时，QCTMR寄存器的值会自动锁存到QCTMRLAT中。这样，就可以利用相邻两个QCTMRLAT寄存器的数值，在的基础上进行加减，即可得到图中两竖实线之间的时间[32]。确定转子的位置是进行坐标变换的前提条件，也是整个矢量变换的核心。转子实时位置的判定主要是用位置计数器QEPSCNT和Z信号来判定的。Z信号的到来时，清空QEPSCNT的数值，接着设为电机零点位置，并在Z信号的基础上，用读取的QEPSCNT的值，去判定电机的位置，为park变换和park逆变换提供角度。3.6转子初始位置的判定我们知道一般在电机工作之前，因为不知道电机转子的电角度，所以没有办法去提供个PLC准确的位置角度，无法进行正常的闭环控制。那么我们不去判定电机转子的初始位置就去启动电机时，就会很容易使电机抖动和反转等不良现象。而在增量式的编码器里除了输出用做转速、位置和转向的判定之外，它还用于输出三路差分形式的U,V,W信号，这三路的信号是去判定转子的初始位置的。这三路的信号相位一般相差120，我们会将这三路信号的一个电角度周期分为6个区间，就如下图所示：这6组不同的状态将空间位置分成了6个小区间。当我们给系统上电后，利用检测这三路UVW信号的状态，去确定转子在一个电角度周期的某个区间从而得到了转子的初始位置。但是用上面的方法我们得到的转子位置只是大概位置。一般选取区间的中间值为转子的初始位置值。这是的电机转矩虽不是最大的，但也是可以启动电机的。在我们将电机启动后，在用第一个到来的Z信号去矫正，从而得到转子的精确位置。3.7编码器的故障以及保护机制我们所用的编码器故障一般有以下几种：编码器断线，AB相丢失、还有就是Z脉冲的干扰等等。当编码器出现故障后，速度反馈就会出现异常，会造成飞车，从而导致安全事故。在我们日常的实际应用中，Z信号的干扰会经常出现的。所以在程序里需要对Z信号进行干扰信号判定并且进行处理。在我们将其判定为干扰信号后，就会去忽略该信号，不会对计数器进行清零的动作。在程序中设定的准许范围是3度，就是说准许两次位置计数器的脉冲误差是上下83.如果在Z信号到来时，脉冲误差值超过了这个设定的误差值得话，就会认定为干扰信号。Z信号的中断流程如下所示：3.9位置给定方式及算法实现伺服位置给定的方法一般有两种方式：一种是用外部脉冲给定的，而另一种则是用键盘以脉冲数的方式直接给定位置的。3.9.1外部脉冲给定是用驱动器端子，一般驱动器在接受到外部给定的一系列脉冲，电机就会随着脉冲的输出而转动，并且转动的角度会与接受到的脉冲个数成正比的，转动的速度和脉冲的频率成正比。这样工作状态下的伺服电机和步进电机的工作情形是很相似的，就是接受到一个脉冲，就会转动一个多大的角度，如果脉冲的频率给的越高，那么电机的转动速度就会变得越快。在这种情况下，就无需再对电机的运动做平滑处理了。3.9.2内部的位置给定当驱动器的位置输入是通过键盘直接给定脉冲个数时，必须要设定电机的转速。如果我们没有提前设定转速，那么调节器就会以最快的速度，让电机达到所设定的位置，这样会对电机造成一定的冲击。在软件的处理过程中，我们需要根据位置量的大小和电机额定转速两个参数进行处理。如果我们遇到位移量比较大的情况时，可以提前设定电机的转速是逐渐加速到最高转速的，并在目标位置之前进行减速；如果我们遇到的是位移量小的情况，就不能加速到电机的额定转速。速度以及位移变化示意图如下所示：在一般情况下，加/减速度为常值，单位都是为g（重力加速度），一般而言，我们只需要设定加减速时间和运行过程中的速度值就行了。在软件里，通过比较反馈位移量和设定位移量的差值和减速过程中的位移量，当达到这个目标值时，电机就会减速刹车。当设定位移量小于加减速位移时，速度冲击小，就可以不做处理。3.10电子齿轮比所谓的电子齿轮就是，指在位置控制模式下，输入位置的指令是对负载位移进行设定的，而电机位置指令是对电机位移进行设定的，为了就是建立电机指令与输入位置指令的比例关系，从而引入电子齿轮功能。假如设定的电子齿轮比是1，脉冲当量是1mm（负载在接收到一个脉冲时运行的距离，此脉冲由驱动器的上位机所发出），将电子齿轮比改为2时，驱动器每接收到一个脉冲，会按照两个脉冲来处理，以此类推[50]。引入电子齿轮的目的除了降低设备成本之外，还一个重要的作用是调整电机旋转一圈所需要的脉冲个数，使得电机转速不再单单依赖于脉冲的频率，保证电机能够达到所需要的转速。假如伺服系统的编码器线数为2500线，且上位机PLC的最大发送脉冲频率为300KHz，若无电子齿轮比功能，电机的最高转速只能达到1800rpm，显然是不能满足要求的。当设定电子齿轮比为2时，即可达到3600rpm，可以满足较高转速要求场合。4控制软件的设计4.1S7-1200PLC介绍4.1.1编程环境S7-1200可编程序控制器（PLC,ProgrammableLogicController）结构紧凑、组态灵活、功能全备，因此在工业应用中得到广泛应用，并且能在长时间的工作下，也能保证其安全性。该控制器可以在一个完整的自动化应用中，作为组件集成中的一员，这里包括了机床，纺织设备等等。S7-1200的基本特点有：（1）、中小型PLC系统就能用到一般要求的生产中。（2）、功能丰富，因此可以用在多种自动控制任务中。（3）、机构分散，采用无风扇设计，多界面网络能力，便于用户灵活应用。（4）、可以根据自己的需求，进行扩展。(5)、性能强，集成功能好。（1）、CPU模块：SIMATICS7-1200系统有着不同的CPU模块，分别是CPU1211C、CPU1212C、CPU1214C和1215C等。上面的CPU会将处理器、集成电路、输入电路和输出电路集成在一个紧凑的外壳下，并且其中所有的模块都是可以进行扩展的，以此来满足各种系统的需求。这个CPU模块还支持多种协议：ＴＣＰ／ＩＰｎａｔｉｖｅ、ＩＳＯｏｎＴＣＰ和S７通信。（2）、信号模块：CPU的功能是比较强大的，连接着信号模块。比如说CPU1212C最多是两个信号模块，但是CPU1214C、1215C可以有八个模块。信号模块是整个系统中比较重要的。（3）、通信模块：RS232通信模块可以实现点对点的通信，这是一个相对比较重要的通信，相较其他通信而言。利用其他的组态和编程，比如说USS协议驱动等。SIMATICAS7-1200属于通用型小型PLC，一般被用于离散自动化系统中和独立自动化系统里，主要应用的领域包括了：化工过程控制楼宇自动化专用机床控制包装工程工艺过程工程（供水，排水，建筑服务设施等）。4.1.2PLC主要控制的子程序设计目标（1）首先是在上位机上输入要转动的圈速以及速度，在通过PLC的处理，进行A/D转换，输出脉冲数，给伺服驱动器；（2）在用光电编码器将伺服电机所转过的圈速和速度测量出来，在进行A/D转换，给上位机进行显示。4.2TIAProralV15编程软件介绍TIAProtalV15是西门子公司在STEP7之后的又一力作，主要被用于PLC编程。它是在STEP7的基础上改进的，主要功能就是应用于SIMATICS7以及基于PC的Wincc编程将对于模块控制器的诊断、编程、组态等功能集成到博途工程框架之中，属于带有“组态设计环境”的软件，这在组态软件开发领域开创了先河。相较于STEP7软件，TIAProtalV115具有的优势主要有：工程组态系统高度统一。从低端控制器到高端