S7—200PLC的PTO在步進(jìn)電機(jī)位置控制中的應(yīng)用

劉云龍

摘 要：研究了高速脈沖串輸出在步進(jìn)電機(jī)位置控制中的應(yīng)用，包括應(yīng)用PLS指令、MAP指令庫及位置控制指令向?qū)У确椒ā＝o出了系統(tǒng)構(gòu)成，說明了各種方法的應(yīng)用。對步進(jìn)電機(jī)的位置控制有實(shí)際意義。

關(guān)鍵詞：S7-200；步進(jìn)電機(jī)；位置控制；PTO；MAP；PLS

引言

作為自動控制系統(tǒng)中的執(zhí)行元件，步進(jìn)電機(jī)的應(yīng)用十分廣泛，主要原因是步進(jìn)電機(jī)有很多優(yōu)點(diǎn)，其中它的控制方法比較簡單。步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速、停止的位置只取決于脈沖信號的頻率和脈沖個(gè)數(shù)。可以通過控制脈沖頻率來控制電機(jī)轉(zhuǎn)動的速度和加速度，進(jìn)行調(diào)速；可以通過控制脈沖個(gè)數(shù)來控制角位移量，進(jìn)行準(zhǔn)確定位。

控制步進(jìn)電機(jī)的方法較多，目前流行的是采用PLC通過步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器來控制步進(jìn)電機(jī)。為了配合步進(jìn)電機(jī)的控制，許多PLC都內(nèi)置脈沖輸出功能，并設(shè)置了相應(yīng)的控制指令，可以很好地對步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行控制。

為了實(shí)現(xiàn)對步進(jìn)電機(jī)的開環(huán)定位控制，可以通過PLC控制輸出脈沖來實(shí)現(xiàn)。本文應(yīng)用SIEMENS公司S7-200PLC來控制步進(jìn)電機(jī)。SIEMENS公司S7-200PLC主要提供了以下幾種方式的開環(huán)定位控制：脈沖串輸出（PTO）、EM253位控模塊、自由口通信等。文章主要探討PTO這種方式。

1 步進(jìn)電機(jī)位置控制系統(tǒng)

1.1 硬件系統(tǒng)

步進(jìn)電機(jī)位置控制系統(tǒng)由PLC、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器、步進(jìn)電機(jī)和絲杠組成。

系統(tǒng)選擇的PLC為SIEMENS公司CPU226DC/DC/DC型。

選用的步進(jìn)電機(jī)是42H2P4812A4的兩相混合式步進(jìn)電機(jī)，該型號的步進(jìn)電機(jī)步矩角為1.8°，相電流1.2A，靜轉(zhuǎn)矩4.5kg·cm，額定轉(zhuǎn)速400rmp。

選用的驅(qū)動器型號為2MA320，該驅(qū)動器的供電電壓DC12-36V ，驅(qū)動電流0.3-2.0A，細(xì)分精度1-128細(xì)分，可驅(qū)動任何2.0A相電流以下兩相、四相混合式步進(jìn)電機(jī)。

由于上述步進(jìn)電機(jī)的相電流為1.2A，驅(qū)動器的SW1-SW3分別設(shè)置為：ON、OFF、OFF，即輸出峰值電流為1.5A，SW5-SW7分別設(shè)置為ON、ON、ON，即細(xì)分設(shè)定為200步/圈。

1.2 控制要求

如圖1所示，要求控制絲杠從A點(diǎn)加速到B點(diǎn)后恒速運(yùn)行，又從C點(diǎn)開始減速到D點(diǎn)，B點(diǎn)到C點(diǎn)間恒速運(yùn)行，A、D點(diǎn)的脈沖頻率為2kHz，B、C點(diǎn)的脈沖頻率為5kHz。AB點(diǎn)之間脈沖數(shù)為300個(gè)，BC點(diǎn)之間脈沖為4000個(gè)，CD點(diǎn)之間脈沖為150個(gè)。

2 程序設(shè)計(jì)

SIEMENS公司S7-200PLC可提供2個(gè)內(nèi)置高速脈沖發(fā)生器，有脈沖串輸出（PTO）和寬度可調(diào)脈沖輸出（PWM）兩種方式。PTO可以輸出一串脈沖（占空比50%），用戶可控制脈沖周期和個(gè)數(shù)，用于步進(jìn)電機(jī)的位置控制。

對S7-200PLC的PTO編程有3種實(shí)現(xiàn)方法。第一種方法是通過PLS指令編程。第二種方法是通過編程軟件STEP7-MicroWIN提供的位置控制指令向?qū)нM(jìn)行配置。第三種方法是采用西門子公司提供的脈沖輸出指令庫MAP。以下分別對這三種方法進(jìn)行說明。

2.1 PLS指令編程

根據(jù)控制系統(tǒng)要求，首先確定脈沖發(fā)生器及工作方式。要求PLC輸出多串脈沖，因此用PTO的多段管線方式。選擇Q0.0，確定PTO為3段脈沖管線（AB、BC、CD段）。

設(shè)置控制字節(jié)。將16#A0寫入SMB67。

寫入周期值、周期增量值和脈沖數(shù)。建立包絡(luò)表。

裝入包絡(luò)表首地址。將包絡(luò)表起始變量V地址裝入SMW168中。

中斷調(diào)用。中斷事件號為19。

執(zhí)行PLS指令。

經(jīng)過以上設(shè)置并執(zhí)行指令后，就可用PLS指令啟動多段脈沖串，并由Q0.0輸出。

2.2 PTO位置控制向?qū)?/p>

西門子PLC的組態(tài)軟件STEP7-MicroWIN提供了位置控制向?qū)Э梢詭椭覀兺瓿蒔TO組態(tài)。該向?qū)Э梢陨晌豢刂噶睿眠@些指令在應(yīng)用程序中對位置進(jìn)行控制。

使用STEP7-MicroWIN位置控制向?qū)В谖恢每刂葡驅(qū)υ捒蛑羞x擇“配置S7-200 PLC內(nèi)置PTO/PWM操作”，按以下步驟操作[1]：

（1）指定一個(gè)脈沖發(fā)生器：選擇Q0.0。（2）選擇PTO。（3）指定電機(jī)速度：電機(jī)最高速度（MAX_SPEED）設(shè)為5000，電機(jī)啟動/停止速度（SS_SPEED）為100。（4）設(shè)置加速和減速時(shí)間：加速時(shí)間設(shè)為1000ms，減速時(shí)間設(shè)為500ms。（5）配置位置輪廓：繪制電機(jī)運(yùn)動包絡(luò)。（6）啟動輪廓數(shù)據(jù)的V內(nèi)存地址：VB70-VB139。（7）生成項(xiàng)目代碼：主要包括子程序PTO0_CTRL、PTO0_RUN、PTO0_MAN等。編程調(diào)用PTO0_CTRL子程序（控制）使能和初始化用于步進(jìn)電機(jī)的PTO輸出；調(diào)用PTO0_RUN子程序（運(yùn)行包絡(luò)）命令PLC在一個(gè)指定的包絡(luò)中執(zhí)行運(yùn)動操作，此包絡(luò)存儲在組態(tài)/包絡(luò)表中。如圖2所示。

2.3 MAP庫

西門子公司為S7-200系列PLC本體PTO提供了應(yīng)用庫MAP SERV Q0.0和MAP SERV Q0.1，這兩個(gè)庫的功能完全相同，分別用于Q0.0和Q0.1的脈沖串輸出，實(shí)現(xiàn)位置控制。從西門子公司網(wǎng)站上下載這兩個(gè)文件的壓縮包SERVMAP.ZIP，解壓后就可以在STEP7-MicroWIN中添加庫文件。

MAP庫包括了9個(gè)功能塊。應(yīng)用MAP庫時(shí)，一些輸入/輸出點(diǎn)被預(yù)先定義。為了使用MAP庫，必須為該庫分配68字節(jié)的全局變量[2]。

應(yīng)用MAP庫編程實(shí)現(xiàn)控制要求，程序如圖3所示，主要應(yīng)用了Q0_x_CTRL和Q0_x_MoveAbsolute這兩個(gè)功能塊。

2.4 PTO三種編程方法的比較

上文介紹了S7-200PLC的高速脈沖串輸出的三種編程方法，為了更好的使用這些方法，我們對這些方法作一比較。PLS指令編程的方法，需要熟練掌握PTO的編程指令，可以完成較復(fù)雜的控制要求。PTO指令向?qū)Ь幊蹋捎谑峭ㄟ^軟件向?qū)В僮骱唵危苤朴谙驅(qū)В荒芡瓿商珡?fù)雜的控制需求。MAP庫編程，編寫程序時(shí)可以調(diào)用庫的功能塊，輔以數(shù)據(jù)處理可以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的位置控制。

3 結(jié)束語

應(yīng)用S7-200PLC對步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行位置控制，可以應(yīng)用PLC的PTO。在編程方法上，有應(yīng)用PLS指令、MAP指令庫及位置控制指令向?qū)?種方法。在實(shí)際應(yīng)用中，應(yīng)靈活使用這些方法，提高位置控制系統(tǒng)的精度。

參考文獻(xiàn)

[1]王永華.現(xiàn)代電氣控制及PLC應(yīng)用技術(shù)[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2008.

[2]How do you position a servo drive axis using the S7-200 pulse interface？[EB/OL].http：//support.automation.siemens.com/WW/view/en/26513850

[3]S7-200PLC脈沖輸出MAP庫文件的使用手冊[Z].西門子（中國）有限公司，2011.

[4]孫建東，蔣興加.西門子200系列PLC脈沖串輸出指令的研究與實(shí)踐[J].天津職業(yè)院校聯(lián)合學(xué)報(bào)，2010，12（2）：61-63.

[5]郭志冬.基于西門子S7-200PLC的步進(jìn)電機(jī)控制[J].新鄉(xiāng)學(xué)院學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2012，29（4）：360-361.