PLC驅動步進電機心得

1 項目簡介

薄膜卷繞機需要進行自動化控制改造。

原設備採用機械式計數，卷繞動力採用離合器傳動，元件卷繞的起動、停止、圈數控制等均由人工操作控制，因此存在產品參數離散性大、產品質量與生產效率因人而異等不足之處。

工藝要求簡述：由於卷制材料是10幾微米的薄膜，要求捲軸平穩起動，均勻加速，以使用張力平穩；中間在某些位置需要停頓，作一些必要的處理，再繼續卷繞；和起動一樣，停頓或停止時，必須均勻減速，保持張力平穩；要求最後圈數準確。

2 控制系統構成

S7-200PLC應該能夠實現項目要求的控制功能。

S7-200CPU本體已含有高速脈衝輸出功能，普通型號的CPU脈衝輸出頻率達20KHz，而224XP（CN）更是高達100kHz，可以用來驅動步進電機或伺服電機，再由電機直接驅動卷繞主軸旋轉，完成工藝所要求的動作。

步進電機在成本上具有優勢，但是步進電機的運轉平穩性不如伺服電機，而兩者的定位精度（圈數）的控制，在本工藝裡都可以達到要求。我們考慮先試用步進電機的方案。

步進電機的驅動，實際上是由相應的步進電機驅動器負責的，所以步進電機的相數齒數等等問題由相應的驅動器解決，選擇步進電機要考慮的主要是體積、轉矩、轉速等，不是本文的重點；

PLC向驅動器送的僅為代表速度與位置的脈衝，這裡要考慮的是步進電機在規定的轉速下是否足夠平穩，是否適合作為薄膜卷繞的動力。

我們作了一個模型機進行試驗，採用細分型的驅動器，在50齒的電機上達到10000步/轉，經17：25齒的同步帶減速傳動（同時電機的振動也可衰減），結果運轉很平穩，粗步確定可以達到工藝要求。於是正式試製一臺，也獲得成功，性能達到工藝要求，目前已經按此方案批量進行改造。

CPU選擇224XPCN DC/DC/DC，系統構成如下：

224XP*1、步進電機*2、細分型驅動器*2、TD200*1、LED顯示屏*1、編碼器*1。

2.1 PTO0（Q0.0）輸出一路高速脈衝，負責驅動卷繞主軸的旋轉；

2.2 PTO1（Q0.1）輸出一路高速脈衝，負責驅動主軸的水平直線移動；

2.3 一個正交增量型編碼器裝在主軸上，作為卷繞圈數的反饋；

2.4 TD200作為人機界面，用於設定參數

2.5 一個LED顯示屏用於顯示實時的卷繞圈數。在實際生產中，工人需要時時參考卷繞的進度，LED顯示比LCD醒目，所以這裡放置了一個自製的LED顯示屏。LED屏和PLC的連接方式，可參考本人在2003年的專家論文集中的文章。

3 控制系統完成的功能

3.1 控制系統首先要實現的功能，是卷繞的平穩起動、加速、減速、平穩停止。在新版的S7-200中，支持高速輸出口PTO0/PTO1的線性加/減速，通過MicroWin的嚮導程序，非常容易實現。實際上，以目前的情況，線性加減速只能使用嚮導生成的程序，Siemens沒有公開獨立可使用的指令。

3.2 使用位置控制嚮導生成以下四個子程序（僅限CPU內的PTO，不包括專用模塊的情況），以PTO0為例：

3.2.1 PTO0_CTRL：每周期調用一次，可以控制PTO0的行為；

3.2.2 PTO0_MAN：可以控制PTO0以某一頻率輸出脈衝，並且可以通過程序隨時中止（減速或立即中止）；

3.2.3 PTO0_RUN：運行(在嚮導中生的)包絡，以預定的速度輸出確定個數的脈衝，也可以通過程序隨時時中止（減速或立即中止）。

3.2.4 PTO0_LDPOS：裝載位置用，本例使用相對位置，所以不必裝載。

本例的工藝要求，輸出脈衝數可變（圈數可設定），又要在工藝允許的情況下儘可能地按指定的速度運行，也要隨時能夠減速停止，包括人工手動的停車要求。直接使用PTO0_MAN和PTO0_RUN都無法直接滿足要求，以下來研究配合輔助手段如何實現。

3.3 精確的位置（圈數）控制

3.3.1 PTO0_RUN + 中斷

卷繞定位與圈數控制，達到0.1圈以內的精度即可，以10000步/轉的細分驅動器，0.1圈相當於1000脈衝。

假使PTO正以最高100kHz速度輸出脈衝，以1ms的時間響應中斷，脈衝的誤差約為100個，所以從理論上說，中斷方式把脈衝誤差控制在1000個以下完全可以。

如何實現？我們來看下面一個PTO0_MAN指令執行的示意圖：

有恆速階段

無恆速階段

當PTO0_MAN指令RUN=1允許脈衝輸出時，脈衝序列從最低速（起始速度，本例設為100p/s，很小，可以認為0）線性加速，加到指定速度speed後保持勻速，當收到減速停止RUN=0命令時，線性減速，至最低速後停止。

所以，我們只要在脈衝輸出前計算出停止指令執行的位置，並在此位置設置中斷以便執行減速停止指令，就可保證輸出的序列脈衝個數在要求的誤差範圍內。

計算過程：

本例加速和減速的斜率是相同的，比較簡單，如果兩個斜率不同，計算稍麻煩一點，原理差不多。

3.3.1.1 用嚮導生成一個最高速單速包絡，從生成的PTO0_DATA中找出加速和減速脈衝數（可以參考3.3.2節的描述），如果加減速斜率相同，這兩個數應該是一樣的，由於計算精度的關係，差幾個脈衝也屬正常。這個數據在程序中可以作為常數使用。

3.3.1.2 如果目標脈衝數大於加速和減速脈衝數之和，表示脈衝輸出可以加速到最高速，有恆速階段，那麼中斷位置=目標脈衝數-減速脈衝數；

3.3.1.3 如果目標脈衝數不大於加速和減速脈衝數之和，無恆速階段，包絡變成一個等腰三角形（兩邊斜率相同的情況），那麼中斷位置=目標脈衝數/2。

3.3.1.4 更進一步，水平恆速的速度可變，就象本案的情況，卷繞速度是可設定的，而且這個速度受機械/電機最高限速、薄膜最高線速的限制，取三者中的最小值，然後才能確定加速到該速度所需的脈衝數，通過簡單的數學計算即可獲得。

3.3.2 PTO0_RUN + 修改包絡參數

段0：加速段，加速脈衝數在VD1033

段1：恆速段，恆速脈衝數在VD1043

段2：減速段，減速脈衝數在VD1063

段3：最終減速脈衝數，VD1063。依我的經驗看，這個最終減速脈衝數始終為1。

在嚮導中，只能生成有限的包絡，如果目標脈衝數任意的，我們只好修改包絡裡面的數據了。加速段和減速段的脈衝數不方便改，因為線性加減速的指令並不清楚，所以只好修改恆速段的脈衝數。實踐證明，修改恆速段的脈衝數，可以非常容易且準確地控制輸出脈衝數。唯一的限制是，總的脈衝數，必須大於加減速段+最終減速段脈衝數之和，也即恆速段的脈衝不能小於1。

使用步驟：

3.3.2.1 在啟動PTO0_RUN之前，計算出恆速段的脈衝數=目標脈數數-加減速脈衝數之和-1，填入包絡表中的恆速位置；

3.3.2.2 啟動PTO0_RUN。

3.4 在本項目的設備改造中，主軸卷繞的圈數、中間起停點的變化範圍大，使用「PTO0_RUN + 中斷」，安排在Q0.0輸出；

中斷是由高速計數器觸發的，所以在Q0.0的嚮導中使能HC0為作脈衝輸出內部反饋，在啟動PTO0前使能12#中斷「HSC0 CV="PV"」，中斷程序樣例如下：

LD SM0.0

R M20.4, 1

CALL PTO0_MAN, M20.4, PTO0_V, VB290, VD292

DTCH 12

主軸的水平直線運動，行程比較固定，調節範圍小，使用「PTO1_RUN + 修改包絡參數」，安排在Q0.1。

4 體會

S7-200是一款是非常優秀的微型控制器，許多功能進行深入研究之後可以做到靈活應用，拓寬其在小型控制領域的應用範圍，同時保持較低的應用成本。