基于S7-200PLC的調速器步進電機驅動方法

沈 宏，張 偉，安艷濤

（1.河南科技學院，新鄉 453003；2.陜西江河水利水電土木勘測設計研究院，西安 710016）

0 引言

水輪機可編程調速器（簡稱PLC調速器）自20世紀90年代初投運于水電站以來，由于其面向工業現場具有可靠性高，易學易懂等優點，因而越來越受到用戶的歡迎，然而作為電氣-機械-液壓轉換部件的電液轉換器的抗油污能力較差，卻成為制約電液調速系統可靠性的致命因素[1]。針對這一棘手問題，相關單位陸續推出了一些采用步進電機代替電液轉換器的步進式可編程調速器并投入運行，使得抗油污能力這一缺陷在一定程度上得到明顯改善，而且由于步進式可編程調速器能夠方便地控制位移、速度、方向，配以滾珠絲桿后可達到極高控制精度，所以可以在較寬的范圍內調速。并且在負載能力范圍內，其輸出轉角定位精度無積累誤差，故在水輪機調速器中已占有相當的份額[2]。

但步進式可編程調速器在步進電機的驅動上依然存在一些問題，比如在目前的水輪機調節領域中，許多PLC調速器步進電機采用簡單的直接啟動方式，而對于水輪機調節系統，系統的極限起動頻率是比較低的，而要求的運行速度往往較高。如果系統以要求的速度直接起動，則很有可能發生失步或根本不運行的情況。不僅如此，系統運行起來之后，如果到在到達終點時就立即停發脈沖，則會因為慣性的原因，發生沖過終點的現象，使點-位控制發生偏差，從而使調速器不能正常運行[3,4]。

所以，為保證步進電機的控制精度，如何處理好其升、降速驅動問題就顯得十分重要。因此要根據步進電機的動力學特性及矩頻特性來尋找最佳的升降速曲線，在數學上這種曲線是比較復雜的，人們很難找到一種硬件電路來模擬它，只能在一定頻段內做近似的曲線擬合。有鑒于此，本文通過采用西門子S7-200PLC的高速脈沖輸出功能，向步進電機發出進給脈沖，通過軟件編程實現脈沖頻率的變化，從而精確地實現了步進電機的加速-恒速-減速-低恒速-停止的過程[5]。并將此功能成功地應用在水輪機調速器中，實現了對步進電機的精確控制，使步進式水輪機調速器控制性能大為改善。

1 S7-200步進電機調速器硬件系統圖

西門子S7-200CPU224XP系列有兩路高頻率脈沖輸出，具有實時刷新技術，其信號輸出頻率最高可達20KHz，可以用于控制步進電機以實現精確定位任務。其硬件系統接線圖如圖1所示。

2 設計思想

圖1 S7-200步進電機調速器硬件接線圖

在步進式水輪機調速器中，為提高工作效率，步進電機控制系統的加速，減速特性非常重要，如果設計不合理，將會引起步進電機堵轉、失步（運行精度差）或升、降速過程慢（工作效率低）等問題。

圖2給出了步進電機加速啟動、恒速運行和減速停止過程中脈沖頻率與時間的關系。

由于步進電機不能直接接到工頻交流或直流電源上工作，所以必須使用專用的步進電機驅動器。步進電機驅動器主要由脈沖發生控制單元，功率驅動單元等組成。本調速器將脈沖發生控制單元通過S7-200的高速脈沖指令來實現，外加功率放大單元來替代專用步進電機驅動器，成本顯著降低[6]。

用可編程控制器對步進電動機進行加減速控制時，實際上就是改變高速脈沖輸出的時間間隔，升速時使脈沖串逐漸加密，減速時使脈沖串逐漸稀疏。用定時中斷方式來控制電動機變速。升速時的起始速度應等于或略小于系統的極限起動頻率（速度），而不是從零開始。減速過程結束時的速度一般應等于或低于啟動速度，再經數步低速運行后停止。

系統在執行升降速的控制過程中，對加減速過程的控制要準備下列數據：

1）加減速的斜率。在直線加速過程中，速度不是連續變化，而是分階段變化的，為與要求的升速斜率相逼近，可以采用階梯曲線來逼近加減速曲線，見圖3所示，采用離散法將加減速曲線離散化，離散化以后的速度是分檔上升的，而且必須確定每個速度臺階上運行的時間，時間△t越小，升速越快，反之漸慢。△t的大小可由理論分析或實驗確定，以升速最快而不丟步為原則。則每個臺階運行的步數為NS=fs?△t =S?△N，其中fs為對應每一檔的頻率，△N反映了每個速度臺階運行步數與速度字S之間的關系。程序在執行過程中，每次速度升一檔，都要計算這個臺階應走的步數，然后以遞減方式檢查，當減至零時表示該檔速度運行完畢，S=S+1，隨后升入又一檔速度。

圖3 階梯形加減速曲線

2）升速過程的總步數。電動在機升速過程中，一直對這個總步數進行遞減操作，當減至零時表示升速過程完畢，轉入恒速運行。

3）恒速運行的總步數。電動機在恒速運行過程中，一直對這個總步數進行遞減操作，當減至零時表示恒速過程完畢，轉入減速運行。

4）減速過程的總步數。這個步數可以取與升速過程總步數相同。減速過程的規律也與升速過程相同，只是按相反的順序進行即可。

在上面的數據確定后，我們就可以編制一個完整的具有升減速過程的點-位控制運行程序了。

2.1 S7-200高速脈沖輸出指令

高速脈沖指令可以使PLC的某些輸出端產生高速脈沖，用來驅動負載實現精確控制。

S7-200有兩個PTO/PWM發生器[7]，分別產生高速脈沖串和脈沖寬度可調的波形。PTO/PWM發生器的編號分配在數字輸出點Q0.0和Q0.1。

脈沖串（PTO）功能提供方波（50%占空比）輸出，并由用戶控制脈沖周期和脈沖數；脈沖寬度調制（PWM）功能提供連續、占空比可調的脈沖輸出，并由用戶控制脈沖周期和脈沖寬度。

PTO/PWM發生器有一個8位的控制字節，一個16位無符號的周期值，一個16位無符號的脈寬值（僅PWM有），和一個32位無符號的脈沖計數值（僅PTO有）。這些數值全部存儲在指定的特殊存儲器（SM）中，特殊存儲器的各位設置完畢后，即可執行脈沖（PLS）指令。PLS指令使CPU讀取特殊存儲器中的位，并對相應的PTO/PWM發生器進行編程。修改特殊存儲器（SM）區(包括控制字節)，并執行PLS指令，可以改變PTO或PWM特性。當PTO/PWM控制字節（SM67.7或SM77.7）的允許位被置為0，則禁止PTO或PWM的功能。

2.2 PTO/PWM控制寄存器

PLS指令從PTO/PWM控制寄存器中讀取數據，使程序按控制寄存器中的值所對應的功能來控制PTO/PWM發生器。因此在執行PLS指令前，必須設置好控制寄存器。

2.3 PTO操作

PTO功能可以提供指定脈沖數和周期的方波（50%占空比）脈沖串。周期以微秒或毫秒為單位，周期的范圍是10～65535μs或2～65535ms。脈沖數的范圍是：1～4294967295。

如果周期時間小于最小值，就把周期默認為最小值；如果指定脈沖數為0，就把脈沖數默認為1個脈沖。

狀態字節中的PTO空閑位（SM66.7或SM76.7）為1時，則表示脈沖串輸出完成。可根據脈沖串輸出的完成調用中斷子程序。

若要輸出多個脈沖串，PTO功能允許脈沖串的排隊，形成管線。當激活的脈沖串輸出完成后，立即開始輸出新的脈沖串。這保證了脈沖串順序輸出的連續性。

PTO發生器具有單段管線和多段管線兩種模式。其中PTO發生器的多段管線功能在對步進電機的控制中非常有用。

2.3.1多段管線模式

多段管線模式中，CPU在變量（V）存儲區建立一個包絡表。包絡表中存儲各個脈沖串的控制參數，多段管線用PLS指令啟動。執行指令時，CPU自動從包絡表中按順序讀出每個脈沖串的控制參數，并實施脈沖串輸出。當執行PLS指令時，包絡內容不可改變。

在包絡表中周期增量可以選擇微秒或毫秒，但在同一個包絡表中的所有周期值必須使用同一個時間基準。

如果在輸出若干個脈沖后指定的周期增量值導致非法周期值，就會產生溢出錯誤， SM66.7或SM76.7被置為1，同時停止PTO功能，PLC的輸出變為通用功能。另外，狀態字節中的增量計算錯誤位（SM66.7或SM76.7）被置為1。

如果要人為地終止一個正進行中的PTO包絡，只需要把狀態字節中的用戶終止位（SM66.7或SM76.7）置為1即可。

2.3.2包絡表參數的計算

本文以接力器運行100%全行程為例，設對應的步進電機為3000步，按照圖2所示原理，若步進電機的運行控制分為3段（啟動，運行，減速），則共需要3000個脈沖[8,9]。啟動和減速的脈沖頻率是16Hz，最大脈沖頻率是1KHz。由于包絡表中的值是用周期表示的，而不是用頻率，所以需要把給定的頻率值轉換成周期值。啟動和減速的周期是62500μs，最大脈沖頻率對應的周期是1000μs。

要求加速部分在125個脈沖內達到最大脈沖頻率（1KHz），減速部分在250個脈沖內完成。

PTO發生器用來調整給定段脈沖周期的周期增量為：

周期增量＝（ECT－ICT）/Q

式中：ECT為該段結束周期；ICT為該段初始周期；Q為該段脈沖數。

計算得出：加速部分（第一段）的周期增量是－492；減速部分（第三段）的周期增量是246。第二段是恒速控制，該段的周期增量是0。

同理，當接力器從0走到75%、50%、25%全行程時的運動控制也可以分為3段（啟動，運行，減速），此時分別需要脈沖2250、1500、750個。

假定包絡表存放在從VB500開始的V存儲器區，以接力器行程為0～100%為例，相應的包絡表參數如表1所示。

該表的值可以通過用戶程序中的指令放在變量（V）存儲器中。

3 程序實現

3.1 PTO多段操作初始化及操作步驟

1）利用第一掃描內存位（SM0.1）復位輸出為0，并調用所要的子程序進行初始化操作。這樣可節約掃描執行時間，并使程序結構化更強。

表1 包絡表值

2）在初始化子程序內，以微秒為遞增單位把PTO數值16#A0存入SMB67。這些數值設定控制字節的目的是：啟動PTO/PWM功能，選擇PTO多段操作，并選擇微秒或毫秒為遞增單位，本文根據要求頻率計算選用微秒為單位。

3）用包絡表的起始V內存偏移量存入SMW168。

4）設定包絡表內的段數值，保證段數目數值正確。

5）執行PLS指令，S7-200為PTO/PWM生成器編程。

6）退出子程序。

圖4 S7-200控制器輸出的驅動程序流程圖

3.2 S7-200控制器輸出的驅動程序（如圖4所示）

4 結論

這種以S7-200PLC 224XP為硬件主體，采用軟件編程實現對步進電機的加減速控制，靈活易變，抗噪性能強，既經濟又節約空間，克服了以往PLC調速器步進電機采用簡單的直接啟動方式的不足， 可以通過對包絡表中相應的控制字做出修改來調節步進電機的運行參數，使PLC調速器對步進電機的控制精度更加精確[10]，驅動功能更加完善，大大減少了CPU的占用時間，提高了系統的響應速度，具有較強的實用性。

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