S7系列PLC電氣控制設計與應用第1講 S7-200對步進電機的控制

浙江工商職業技術學院 李方園

1 運動控制的基本架構

運動控制在機器人和數控機床領域內的應用要比在專用機器中的應用更復雜，因為后者運動形式更簡單，通常被稱為通用運動控制。運動控制被廣泛應用在包裝、印刷、紡織和裝配工業中。

一個運動控制系統的基本架構組成包括（如圖1所示）：

（1） 一個運動控制器（如PLC）用以生成軌跡點（期望輸出）和閉合位置反饋環。許多控制器也可以在內部閉合一個速度環。

（2）一個驅動或放大器用（如伺服控制器和步進控制器）以將來自運動控制器的控制信號（通常是速度或扭矩信號）轉換為更高功率的電流或電壓信號。更為先進的智能化驅動可以自身閉合位置環和速度環，以獲得更精確的控制。

（3）一個執行器如液壓泵、氣缸、線性執行機或電機用以輸出運動。

(4) 一個反饋傳感器如光電編碼器，旋轉變壓器或霍爾效應設備等用以反饋執行器的位置到位置控制器，以實現和位置控制環的閉合。

圖1 運動控制系統的基本架構

2 S7-200實現運動控制的基礎

S7-200的脈沖量輸出一般都采用晶體管輸出形式，用于支持位置控制功能。位置控制功能的目的是通過速度的設定從當前位置轉移物體到正確地停止在預設位置。當連接到不同的伺服驅動裝置或步進電機控制驅動裝置，通過脈沖信號控制位置的高精確度，如圖2所示。

圖2 高速脈沖輸出功能

S7-200的高速脈沖輸出包括脈沖串輸出PTO和脈沖調制輸出PWM，前者可以輸出一串脈沖（占空比50%），用戶可以控制脈沖的周期和個數（如圖3a）；后者可以輸出連續的、占空比可以調制的脈沖串，用戶可以控制脈沖的周期和脈寬（如圖3b）。

圖3 高速脈沖PTO和PWM

S7-200的高速脈沖硬件發生器有兩個，即Q0.0和Q0.1。在使用PTO和PWM操作之前，需要將兩者的過程映象寄存器清零；在高速脈沖輸出過程中，輸出負載至少為10%的額定負載，才能提供陡直的上升沿和下降沿。

PTO/PWM發生器的多段管線功能在許多應用中非常有用，尤其在步進電機控制中。例如，可以用帶有脈沖包絡的PTO來控制一臺步進電機，來實現一個簡單的加速、勻速和減速過程或者一個由最多255段脈沖包絡組成的復雜過程，而其中每一段包絡都是加速、勻速和減速過程。

3 案例介紹

如圖4所示為S7-200與步進驅動器HB-4020的接線，要求實現：正轉、反轉、連鎖、啟動、停止等功能。

圖4 S7-200與HB-4020驅動器的接線

4 軟件編程

根據要求列出S7-200控制步進電機的輸入/輸出資源配置（表1所示）。

它包括主程序（如圖5所示）和中斷程序（如圖6所示）。

表1 輸入/輸出資源配置

圖5 主程序

圖6 中斷程序

5 結語

從運動控制的基本架構可以看到，PLC作為一種典型的運動控制核心起到了非常重要的作用，這主要歸因于PLC具有高速脈沖輸入、高速脈沖輸出和運動控制模塊等軟硬件功能。

[1] 李方園. 自動化綜合實訓教程[M].北京：科學出版社，2011.