0 引言

　　步進(jìn)電動(dòng)機(jī)是工業(yè)自動(dòng)化過(guò)程中經(jīng)常用到的一種控制傳動(dòng)機(jī)構(gòu)。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)分為反應(yīng)式、永磁式和混合式等。西門子PLC具有脈沖輸出和控制功能，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速、位移和轉(zhuǎn)向的控制，本文以 S7-200 為例說(shuō)明 PLC 對(duì)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的控制技術(shù)。

1 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的控制要求

　　步進(jìn)電動(dòng)機(jī)必須使用專用的步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)設(shè)備才能正常工作。隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，可以實(shí)現(xiàn)細(xì)分驅(qū)動(dòng)，即將一個(gè)步距角細(xì)分為若干小步來(lái)驅(qū)動(dòng)，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)在伺服系統(tǒng)中的應(yīng)用日益廣泛。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)在啟動(dòng)和停止時(shí)有一個(gè)加速和減速過(guò)程，且加速度越小則沖擊越小，動(dòng)作越平穩(wěn)。所以步進(jìn)電動(dòng)機(jī)工作時(shí)一般要經(jīng)歷這樣一個(gè)變化過(guò)程：加速 恒速（高速） 減速 恒速（低速） 停止。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速與脈沖頻率成正比，所以步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的脈沖頻率也要經(jīng)歷一個(gè)類似的變化過(guò)程，如圖1：

2 PLC 的脈沖輸出功能

　　為了配合步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的控制，西門子 PLC 內(nèi)置了脈沖輸出功能，并設(shè)置了相應(yīng)的控制指令可以很好地對(duì)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)進(jìn)行控制。S7-200PLC 可以通過(guò)內(nèi)置的脈沖串輸出(PTO)指令和脈寬調(diào)制（PWM）指令，實(shí)現(xiàn)速度和位置控制。PTO/PWM 發(fā)生器控制輸出，并禁止輸出點(diǎn)的正常使用，輸出波形不受輸出映像寄存器狀態(tài)、輸出強(qiáng)制、執(zhí)行立即輸出指令的影響；在 Q0.0 或 Q0.1 位置沒(méi)有使用 PTO 或 PWM

　　功能時(shí)，輸出映像寄存器控制輸出，所以輸出映像寄存器決定輸出波形的初始和結(jié)束狀態(tài)，

　　即決定脈沖輸出波形從高電平或低電平開(kāi)始和結(jié)束，使輸出波形有短暫的不連續(xù)。

　　2.1 脈沖輸出指令 PLS

　　脈沖輸出指令 PLS 指令功能為：使能有效時(shí)，檢查用于脈沖輸出（Q0.0 或 Q0.1）的特殊存儲(chǔ)器位（SM），然后執(zhí)行特殊存儲(chǔ)器位定義的脈沖操作。指令格式為：PLS Q。

　　2.2 用于脈沖輸出的特殊存儲(chǔ)器（Q0.0 或 Q0.1）

　　2.2.1 控制字節(jié)和參數(shù)的特殊存儲(chǔ)器

　　每個(gè) PTO/PWM 發(fā)生器都有一個(gè)控制字節(jié)（8 位）、一個(gè)脈沖計(jì)數(shù)值（無(wú)符號(hào)的 32 位數(shù)值）、一個(gè)周期時(shí)間和脈沖值（無(wú)符號(hào)的 16 位數(shù)值）。這些值都放在特定的特殊存儲(chǔ)區(qū)（SM），然后執(zhí)行特殊存儲(chǔ)器位定義的脈沖操作，即對(duì)相應(yīng)的 PTO/PWM 發(fā)生器進(jìn)行編程。

　　2.2.2 狀態(tài)字節(jié)的特殊存儲(chǔ)器

　　除了控制信息外，還有用于 PTO 功能的狀態(tài)位。程序運(yùn)行時(shí)，根據(jù)運(yùn)行狀態(tài)使某些位自動(dòng)置位?？梢酝ㄟ^(guò)程序來(lái)讀取相關(guān)位的狀態(tài)，用此狀態(tài)作為判斷條件，實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的操作。

　　2.3 Q0.0 和 Q0.1 的共用

　　PTO/PWM 和輸出映像寄存器共用 Q0.0 和 Q0.1。在 Q0.0 或 Q0.1 使用 PTO 或 PWM 功能時(shí) PTO/PWM 發(fā)生器控制輸出，并禁止輸出點(diǎn)的正常使用，輸出波形不受輸出映像寄存器狀態(tài)、輸出強(qiáng)制、執(zhí)行立即輸出指令的影響；在 Q0.0 或 Q0.1 位置沒(méi)有使用 PTO 或 PWM功能時(shí)，輸出映像寄存器控制輸出，所以輸出映像寄存器決定輸出波形的初始和結(jié)束狀態(tài)，即決定脈沖輸出波形從高電平或低電平開(kāi)始和結(jié)束，使輸出波形有短暫的不連續(xù)。

　　2.4 脈沖串 PTO 輸出

　　PTO 是可以指定脈沖數(shù)和周期的占空比為 50%的高速脈沖串的輸出。狀態(tài)字節(jié)中的最高位（空閑位）用來(lái)指定脈沖串輸出是否完成?？稍诿}沖串完成時(shí)起動(dòng)中斷程序，若使用多段操作，則在包絡(luò)表完成時(shí)起動(dòng)中斷程序。

　　2.4.1 周期和脈沖數(shù)

　　周期范圍從 50~65535 S 或從 2~65535mS,為 16 位無(wú)符號(hào)數(shù)，時(shí)基有 S 和 mS 兩種，通過(guò)控制字節(jié)的第三位選擇。注意：如果周期小于 2 個(gè)時(shí)間單位，則周期的默認(rèn)值為 2 個(gè)時(shí)間單位。周期設(shè)定奇數(shù)微秒或毫秒，會(huì)引起波形失真。脈沖計(jì)數(shù)范圍從 1 至 4294967295,為 32 位無(wú)符號(hào)數(shù)，如設(shè)定脈沖計(jì)數(shù)為 0，則系統(tǒng)默認(rèn)脈沖計(jì)數(shù)值為 1。

　　2.4.2 PTO 的種類及特點(diǎn)

　　PTO 可輸出多個(gè)脈沖串，現(xiàn)用脈沖串輸出完成時(shí)，新的脈沖串輸出立即開(kāi)始。這樣就保證了輸出脈沖串的連續(xù)性。PTO 功能允許多個(gè)脈沖串排隊(duì)，從而形成流水線。流水線分為兩種：?jiǎn)味瘟魉€和多段流水線。單段流水線是指：流水線中只能存儲(chǔ)一個(gè)脈沖串的控制參數(shù)，初 PTO 段一旦起動(dòng)，必須按照對(duì)第二個(gè)波形的要求立即刷新 SM，并再次執(zhí)行 PLS 指令，第一個(gè)脈沖串完成，第二個(gè)波形輸出立即開(kāi)始，重復(fù)這一步驟可以實(shí)現(xiàn)多個(gè)脈沖串的輸出。單段流水線中的各段脈沖串可以采用不同的時(shí)間基準(zhǔn)，但有可能造成脈沖串之間的不平穩(wěn)過(guò)渡，輸出多段高速脈沖時(shí)，編程復(fù)雜。多段流水線是指在變量存儲(chǔ)區(qū) V 建立一個(gè)包絡(luò)表。包絡(luò)表存放每個(gè)脈沖串的參數(shù)，執(zhí)行 PLS 指令時(shí)，S7-200PLC 自動(dòng)按包絡(luò)表中的順序及參數(shù)進(jìn)行脈沖串輸出。包絡(luò)表中每段脈沖串參數(shù)占用 8B，由一個(gè) 16 位周期增量值 （2B）和一個(gè) 32 位脈沖計(jì)數(shù)值（4B）組成。多段流水線的特點(diǎn)是編程簡(jiǎn)單，能夠通過(guò)指定脈沖的數(shù)量自動(dòng)增加或減少周期，周期增量值為正值會(huì)增加周期，為負(fù)會(huì)減少周期。在包絡(luò)表中的所有脈沖串必須采用同一時(shí)基，在多段流水線執(zhí)行時(shí)，包絡(luò)表的各段參數(shù)不能改變。多段流水線常用于步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的控制。

　　2.5 脈寬可調(diào)脈沖輸出 PWM

　　PWM 是脈寬可調(diào)的高速脈沖輸出，通過(guò)控制脈寬和脈沖的周期，實(shí)現(xiàn)控制任務(wù)。

　　2.5.1 周期和脈寬

　　周期和脈寬時(shí)基為微秒和毫秒，均為 16 位無(wú)符號(hào)數(shù)。周期范圍為 50~65535 S 或 2~65535mS。如果周期小于 2 個(gè)時(shí)間單位，則周期的默認(rèn)值為2 個(gè)時(shí)間單位。脈沖范圍為 0~65535 S 或 2~65535mS。若脈寬不小于周期，占空比為 100%，輸出連續(xù)接通。若脈寬為 0,占空比為 0%，則輸出斷開(kāi)。

　　2.5.2 PWM 初始化和操作步驟

　　用首次掃描位（SM0.1）使輸出位復(fù)位為 0，并調(diào)用初始化子程序。這樣可減少掃描時(shí)間，程序結(jié)構(gòu)更合理。在 SMW68 或 SMW78 中寫入一個(gè)字長(zhǎng)的周期值；在 SMW70 或 SMW80 中寫入一個(gè)字長(zhǎng)的脈寬值。然后執(zhí)行 PLS 指令，使 S7-300 為 PWM 編程，并由 Q0.0 或 Q0.1 輸出?？蔀橄乱惠敵雒}沖預(yù)設(shè)控制字。在 SMB67 或 SMB77 中寫入 16#D2 或 16#DA,控制字節(jié)中將禁止改變周期值，允許改變脈寬。以后只要裝入一個(gè)新的脈寬值，不用改變控制字節(jié)，直接執(zhí)行PLS 指令就可以改變脈寬值。

3 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的 PLC 控制程序

　　如上圖１,從 A 點(diǎn)到 B 點(diǎn)為加速過(guò)程，從 B 到 C 為恒速過(guò)程，從 C 到 D 為減速過(guò)程。按要求流水線可以分為三段，需建立三段脈沖的包絡(luò)表。設(shè)起始和終止脈沖頻率為 2Hz，最大脈沖頻率為 10 Hz，所以起始和終止周期為 500 S，最大頻率的周期為 100 S。1 段：加速運(yùn)行，應(yīng)在約 200 個(gè)脈沖時(shí)到達(dá)最大脈沖頻率；2 段：恒速運(yùn)行，約 4400 個(gè)脈沖；3段減速運(yùn)行，應(yīng)在約 400 個(gè)脈沖時(shí)完成。用一個(gè)子程序?qū)崿F(xiàn) PTO 初始化，I0.0 上升沿時(shí)從主程序調(diào)用初始化子程序，執(zhí)行初始化操作。以后的掃描不再調(diào)用該子程序，這樣減少掃描時(shí)間，程序結(jié)構(gòu)更好。

4 結(jié)束語(yǔ)

　　本文結(jié)合一個(gè)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的具體控制要求，選擇 S7-200 或以上系列PLC的 PTO 脈沖串輸出功能，對(duì)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行過(guò)程進(jìn)行控制。需要說(shuō)明的是，PLC 在這里起到的是控制器的作用，而要組成一個(gè)完整的控制系統(tǒng)，需要增加一個(gè)步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，以進(jìn)行脈沖分配和放大，以驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)運(yùn)行。