基于西门子PLC的步进电动机控制技术
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[摘要]步进电动机的转速、位移和转向是受绕组的电脉冲的频率、个数和通电顺序决定的，西门子s7-200及以上plc内置了脉冲输出功能，可以通过编程来设置控制字和参数，实现对输出脉冲的控制，从而实现对步进电动机的控制。
[关键词]西门子PLC；步进电动机；PTO
中图分类号：TM921.41 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2013）06-0132-01
引言
步进电动机是工业自动化过程中经常用到的一种控制传动机构。步进电动机分为反应式、永磁式和混合式等。西门子PLc具有脉冲输出和控制功能，可以实现对步进电动机的转速、位移和转向的控制，本文以$7 200为例说明PLC对步进电动机的控制技术。
1、步进电动机的控制要求
步进电动机必须使用专用的步进电动机驱动设备才能正常工作。随着电力电子技术的发展，可以实现细分驱动，即将一个步距角细分为若干小步来驱动，步进电动机在伺服系统中的应用日益广泛。步进电动机在启动和停止时有一个加速和减速过程，且加速度越小则冲击越小，动作越平稳。所以步进电动机工作时一般要经历这样一个变化过程：加速恒速（高速）减速恒速（低速）停止。步进电动机转速与脉冲频率成正比，所以步进电动机的脉冲频率也要经历一个类似的变化过程，如图1：
2、PLC的脉冲输出功能
为了配合步进电动机的控制，西门子PLC内置了脉冲输出功能，并设置了相应的控制指令可以很好地对步进电动机进行控制。S7-200PLc可以通过内置的脉冲串输出（PTO）指令和脉宽调制（PWM）指令，实现速度和位置控制。PTO/PWM发生器控制输出，并禁止输出点的正常使用，输出波形不受输出映像寄存器状态、输出强制、执行立即输出指令的影响；在QO.O或Q0.1位置没有使用PTO或PwM功能时，输出映像寄存器控制输出，所以输出映像寄存器决定输出波形的初始和结束状态，即决定脉冲输出波形从高电平或低平开始和结束，使输出波形有短暂的不连续。
2.1 脉冲输出指令PLS
脉冲输出指令PIS指令功能为：使能有效时，检查用于脉冲输出（Q0.0或Qo.1）的特殊存储器位（SM），然后执行特殊存储器位定义的脉冲操作。式为：PLSQ。
2.2 用于脉冲输出的特殊存储器（Q0.0或Q0.1）
2.2.1 控制字节和参数的特殊存储器
每个PTO/PWM发生器都有一个控制字节（8位）、一个脉冲计数值（无符号的32位数值）、一个周期时间和脉冲值（无符号的16位数值）。这些值都放在特定的特殊存储区（SM），然后执行特殊存储器位定义的脉冲操作，即对相应的PTO/PWM发生器进行编程。
2.2.2 状态字节的特殊存储器
除了控制信息外，还有用于PTO功能的状态位。程序运行时，根据运行状态使某些位自动置位。可以通过程序来读取相关位的状态，用此状态作为判断条件，实现相应的操作。
2.3 Q0.0和00.1的共用
PTO/PWM和输出映像寄存器共用Q0.0和Q0.1。在Q0.0或Q0.1使用PTO或PWMS3J能时PTO/PWM发生器控制输出，并禁止输出点的正常使用，输出波形不受输出映像寄存器状态、输出强制、执行立即输出指令的影响；在Q0.0或Q0.1位置没有使用PTO或PWM功能时，输出映像寄存器控制输出，所以输出映像寄存器决定输出波形的初始和结束状态，即决定脉冲输出波形从高电平或低电平开始和结束，使输出波形有短暂的不连续。
2.4 脉冲串PTO输出
PTO是可以指定脉冲数和周期的占空比为50%的高速脉冲串的输出。状态字节中的最高位（空闲位）用来指定脉冲串输出是否完成。可在脉冲串完成时起动中断程序，若使用多段操作，则在包络表完成时起动中断程序。
2.4.1 周期和脉冲数
周期范围从50～65535S或从2～65535mS，为16位无符号数，时基有S和mS两种，通过控制字节的第三位选择。注意：如果周期小于2个时间单位，则周期的默认值为2个时间单位。周期设定奇数微秒或毫秒，会引起波形失真。脉冲计数范围从1至4294967295，为32位无符号数，如设定脉冲计数为0，则系统默认脉冲计数值为1。
2.4.2 PTO的种类及特点
PTO可输出多个脉冲串，现用脉冲串输出完成时，新的脉冲串输出立即开始。这样就保证了输出脉冲串的连续性。PTO功能允许多个脉冲串排队，从而形成流水线。流水线分为两种：单段流水线和多段流水线。单段流水线是指：流水线中只能存储一个脉冲串的控制参数，初PTO段一旦起动，必须按照对第二个波形的要求立即刷新SM，并再次执行PLS令，第一个脉冲串完成，第二个波形输出立即开始，重复这一步骤可以实现多个脉冲串的输出。单段流水线中的各段脉冲串可以采用不同的时间基准，但有可能造成脉冲串之间的不平稳过渡，输出多段高速脉冲时，编程复杂。多段流水线是指在变量存储区V建立一个包络表。包络表存放每个脉冲串的参数，执行PIS指令时，S7-200PLC自动按包络表中的顺序及参数进行脉冲串输出。包络表中每段脉冲串参数占用8B，由一个16位周期增量值（2B）和一个32位脉冲计数值（4B）组成。多段流水线的特点是编程简单，能够通过指定脉冲的数量自动增加或减少周期，周期增量值为正值会增加周期，为负会减少周期。在包络表中的所有脉冲串必须采用同一时基，在多段流水线执行时，包络表的各段参数不能改变。多段流水线常用于步进电动机的控制。
2.5 脉宽可调脉冲输出PWM
PwM是脉宽可调的高速脉冲输出，通过控制脉宽和脉冲的周期，实现控制任务。
2.5.1 周期和脉宽
周期和脉宽时基为微秒和毫秒，均为16位无符号数。周期范围为50～65535S或2～65535mSo如果周期小于2个时间单位，则周期的默认值为2个时间单位。脉冲范围为0～65535s或2～65535mS。若脉宽不小于周期，占空比为100%，输出连续接通。若脉宽为0，占空比为0%，则输出断开。
2.5.2 PWM初始化和操作步骤
用首次扫描位（SM0.1）使输出位复位为0，并调用初始化子程序。这样可减少扫描时间，程序结构更合理。在SMW68或SMW78中写入一个字长的周期值；在SMW70～SMW80中写入一个字长的脉宽值。然后执行PLS指令，使S7 300为PwM编程，并由Q0.0或Q0.1输出。可为下一输出脉冲预设控制字。在SMB67或SMB77中写入16#D2或16#DA，控制字节中将禁止改变周期值，允许改变脉宽。以后只要装入一个新的脉宽值，不用改变控制字节，直接执行PLS指令就可以改变脉宽值。
3、步进电动机的PLC控制程序
如图1，从A点到B点为加速过程，从B到c为恒速过程，从CND为减速过程。按要求流水线可以分为三段，需建立三段脉冲的包络表。设起始和终止脉冲频率为2Hz，最大脉冲频率为10Hz，所以起始和终止周期为500S，最大频率的周期为100S。1段：加速运行，应在约200个脉冲时到达最大脉冲频率；2段：恒速运行，约4400个脉冲；3段减速运行，应在约400个脉冲时完成。用一个子程序实现PTO初始化，10.0上升沿时从主程序调用初始化子程序，执行初始化操作。以后的扫描不再调用该子程序，这样减少扫描时间，程序结构更好。