農機中的PLC 調速器步進電機控制方法的改善研究

何璐兵

【摘?? 要】 步進電機具有很好的實用性，不論是從較低的上手難度還是從低廉的維護費用方面來說，都是在水輪機上能夠做到長期使用的工具，但是由于步進電機的驅動是在油料的驅動下進行，這就導致了機器容易產生油污，對長期的使用造成一定困擾，s7-200是一種可編程小型機械，在對脈沖的控制上，能夠提供較好的效果，對農機中的PLC調速器步進電機控制方法有很好的改良作用。

【關鍵詞】 農機中的PLC;步進電機;改善;編程

中圖分類號：TM3?????????????? 文獻識別碼：A?????????????? 文章編號：2096-1073（2020）11-0060-62

[Abstract] Stepper motor has good practicability， whether from the lower difficulty of starting hand or from the low maintenance cost， it is a tool that can be used in hydraulic turbine for a long time， but because the drive of stepper motor is driven by oil， it is easy to produce oil pollution and cause some trouble for long-term use. s7-200 is a programmable small machine， which can provide better effect on pulse control and improve the control method of PLC governor stepping motor in agricultural machinery.

[Key words]? PLC; stepping motor in farm machinery; improvement; programming

水輪機可編程農機中的調速器（簡稱PLC調速器）是用于水電站建設的一種常見裝置，在上世紀九十年代投入到水電生產之中，其主要的優點是具有較強的可靠性，同時操作難度較低，再加上學習的方式較為簡單，所以在水電工程上適用性較廣。

1? 農機中的PLC調速器

PLC是指Program mable Logic Controller，即可編程邏輯控制器，其主要是為工業生產所服務的一種數字運算操作的電子系統，它是一種即時系統，主要采用可編程的存儲器，在其內部進行程序的存儲，從而進行邏輯運算，最終完成順序控制、定時操作、計數以及算術的操作等指令，并且該系統能夠通過數字控制其的輸入與輸出，從而保證各類機械的生產或運作過程符合要求。

水輪機是一種廣泛運用于水中的器械，能夠在一定的條件下將水流的能量轉化為機械動力，作為一種透平機械，水輪機能夠在有水流的地方產生強大的動能，所以在水利發電領域被廣泛使用。

2? 農機中的PLC調速器步進電機存在的問題

作為電機，油污是必須要面對的東西，在電機的運行過程中，油污的產生是不可避免的，在油污產生的情況之下，電機中關于電氣到機械再到液壓轉換的過程中，可靠性就會變得非常差，這樣的方式對整個機械的運作傷害是非常大的，同時效率也會受到一定的限制，所以在這一方面，相關單位陸續推出了多種解決方案，其中改動最多的地方就是將原先的電液轉換器更換成為步進電機，同時對步進電機進行可編程操作，以此來減少油污對于效率的損害，這種做法在一定程度上減輕了因油污而導致的問題，但是可編程操作在步進電機的運用上還存在一定的問題。

首先是步進式可編程調速器在電機的驅動上存在一些問題，在水輪機使用中，需要對其進行調節，很多農機中的PLC調速器步進電機采用的啟動方式過于簡單，這就會讓轉子的慣性影響到步進電機，最終會導致步進電機失去同步功能，這樣的事情并不是個例，很多操作人員在使用過程中都會出現類似的問題。其次是在步進電機的運轉過程中，由于電機中的電子脈沖設備突然失靈的情況發生，直接就會導致轉子發生位置上的偏移，最終導致了變速器不能夠正常的運行。

所以要想對其精度進行控制，首先就需要對步進電機的動力學特征以及其升降曲線進行掌握，這種預測曲線是較為復雜的，所以在一定程度上需要對其進行模擬，只有這樣才能夠對電機進行一系列精確的流程設計，讓電機的控制達到一種較為精確的程度。

3? s7-200小型可編程控制器

s7-200是一種小型的可編程控制器，所以從適用性角度而言有一定的參考價值。由于s7-200具備高頻脈沖輸出功能，尤其是其信號最高可達20kHZ，所以在對其功能的反饋上可以做到更加精確，同時對定位來說可以做到更加準確。

在步進電機中，其工作效率主要是通過控制系統對其進行加減速來決定的，所以在加減速的特性方面，一定要做到完全的控制，這樣才能夠避免出現電機運行精度差、不轉、升降速度慢的問題?？梢詫Ω咚倜}沖串的時間間隔進行調整，從而在提速過程中加大脈沖串的密集程度，減速時降低，同時在一定的時間之內對其進行斷電，以此來對電機的變速進行控制，發生這樣的情況所要具備的條件是將s7-200通過脈沖放大單元進行指令的實現，這樣做的好處就是成本能夠顯著降低。

由于s7-200有兩個發生器，分別是PTO與PWM發生器，PTO發生器能夠產生鈣素脈沖串，而PWM發生器則能夠產生寬度可調的波形，這就讓二者形成互補，在使用的過程中能夠在一定程度上解決在脈沖控制上的問題[1]。

PTO在脈沖串的輸出上，用戶可以對其周期以及數量進行一定控制，而PWM則是能夠在寬度以及周期上進行控制，同時二者的加速單元也存在一定的區別，PTO加速單元有一個八位的控制字節，同時有一個十六位的無符號脈寬值，而PWM發生器則是由一個十六位五符號的周期和一個三十二位無符號脈沖計數值。雙方的數值都會在s7-200的特殊儲存器中得以儲存，在儲存器進行設置之后，就可以對脈沖進行指令的下發，而指令會讓CPU儲存器中的位置進行對照，最終對發生器進行編輯。

在對PTO或PWM進行控制的時候，需要注意PTO以及PWM的控制寄存器，可執行脈沖指令會從控制寄存器中讀取數據，以達到對程序的控制，所以在執行脈沖指令的時候，必須對寄存器進行設置，這樣才能夠保證部件功能能夠運行[2]。

在對于PTO的操作上，需要預先對其進行一定的設置，而由于PTO功能的范圍要求較為精確，所以在使用的過程中需要對數值進行精確，其中，周圍范圍是10-65535μs或者存在2-65535ms。脈沖的范圍則是：1-4294967295。而PTO的發生器有兩種模式，分別是單段線管以及多段線管，尤其是在PTO發生器中的多段線管對于步進電機的控制作用非常好。

在PTO多管線模式中，CPU的變量在存儲區會建立一個包絡表，其中存儲了各個脈沖串的控制參數，在執行指令的時候，CPU會自動從其中讀出控制，由于是多管線模式，其中的數據會根據輸入時候的指令依次進行讀取，最終達到控制的效果，而且其中的元素周期變量可以選擇單位，需要保證所有的周期都能夠在同一個時間基準下進行。

對于步進式水輪調速器來說，步進電機控制系統在加速以及減速功能方面所變出出來的特性與工作效率的好壞息息相關。如果其設計參數出現疏漏，則會導致步進電機出現失步（運行精度不夠到位）、堵轉以及升速或降速過程進展緩慢（運行效率差）等不良現象。而PTO可通過計算包絡參數來實現對控制器的編程，從而有效地解決上述可能出現的問題。例如，如果接力器運行完整個行程時所對應的步進電機總共運行3000步，而步進電機需要完成啟動、運行以及減速等3個階段的工作，這樣一來就必須提供3000個脈沖。啟動與減速所需達到的頻率通常為16Hz，脈沖頻率的最大值為1KHz。對于包絡表而言，其數值通常是按照周期來進行表示的，并非是頻率的形式，故而需要將所提供的頻率值通過分析來轉化為周期值。啟動與減速操作所需周期為62.5ms，頻率最大值所對應的周期數值為1ms。先要求加速階段在125個脈沖時間內務必要達到脈沖的最大頻率，即1KHz，同時減速階段務必要在250個脈沖時間內結束。PTO發生器可以用來對給定脈沖周期所對應的周期增量進行合理你的調整。以ETC表示這一階段的結束周期，ICT表示這一階段的初始周期，Q表示這一階段的脈沖數，則周期增量的表達式為：周期增量=（ECT-ICT）/Q。通過這一表達式便可以計算出第一階段（即整個加速階段）周期增量的數值為-192，第三階段（即整個減速階段）周期增量的數值為246.對于第二階段而言，該階段旨在做到恒溫控制，故而這一階段周期增量的數值為0。同理，當接力器由0走到整個行程的25%、50%、75%時。其運行控制也可以分為啟動、運行以及減速等三大階段，此時其所需的脈沖數分別為750個、1500個以及250個，其余情況下的計算方法與上述計算過程類似。PTO發生器可以借助包絡表的計算而獲取到脈沖周期所需的周期增量，而包絡表自身能夠通過與之相對應的用戶程序中的相關指令來被存放到V存儲器當中，進而發揮作用以對脈沖周期做出合理的調整。

4? 程序實際操作

在程序進行實際使用的時候，首先需要對PTO多段操作進行初始化，防止上次的數據殘留影響本次結果，最終造成操作失敗，在初始化的同時，需要對第一掃描內存進行復位輸出，并且對將要調用的子程序同樣進行初始化，這樣做一方面可以對掃描的時間進行優化，同時能夠使內部程序在一定程度上得到優化。隨后對子程序進行輸入，其中輸入的單位以及數據應該以實際操作需要為準，對PTO和PWM兩個功能進行挑選，選中PTO之后，將工作方式切換為多段操作模式，并且將單位進行設置。上述設置完畢之后，就需要對起始變量進行存入，其中主要的數據就是關于起始變量的內存偏移量。在設置完成之后，對包絡表內的數值進行對照，防止出現數值錯誤，最后對PTO/PWM內部進行程序編輯，同時執行脈沖指令，使用完畢之后，退出子程序[3]。

5? s7-200的優勢

首先，在步進電機的工作中，由于工作的要求以及電機本身設計時存在的一定限制，會導致油污的問題層出不窮，因為電機出現事故而停止生產的情況比比皆是，嚴重耽誤了工作效率。在這樣的情況下，對s7-200的使用能夠很好地解決這樣的問題，選擇這樣的工具無疑會提高整體的效率，同時能夠讓工作變得更加輕松、省心[4]。

其次就是這樣的操作方式對于技術的要求并不繁瑣，只需要知道具體的操作，就可以對其進行完整的控制，這樣的方式能夠讓效率得到提升，增強了實用性。

再次，s7-200機器相對來說價格較為便宜，相對于整個水輪機來說，無疑是非常廉價的[5]。有這樣的機械存在，那么在一定的程度上能夠降低成本，同時由于解決了油污的問題，能夠讓成本再一次下降，對于相關單位來說，也能夠減輕經濟以及人力上的壓力。

最后則是PLC調速器在脈沖控制方面能夠做到非常優秀的地步，這樣就能夠有效減少機械的損耗，在一定的程度上對機械壽命進行一定時間的延長[6]。提高了農產品的生產效益，最重要的是PLC可以進行編程，可以將一些操作工序編入預先設置好的程序中，也就是說這樣的機械使用范圍更廣，更加能夠適合各種不同的情況。農機中的PLC調速器能在步進電機遇到問題的時候及時處理，同時在了解事故的原因之后，能夠將規避方案輸入到程序之中，避免未來發生同樣失誤。

6? 結束語

在步進電機的控制以及容錯改進方面，PLC調速器主要就是通過對轉子的限制，從而達到控制電機的目的，這種方式在工業活動中被經常使用，希望本文的這些分析可以幫助到相關人員。

參考文獻：

[1] 黃玉賓.PLC技術在自動控制中的應用[J/OL].集成電路應用，2019（05）：97-98[2019-05-07].https：//doi.org/10.19339/j.issn.1674-2583.2019.05.037.

[2] 王姝，盧秀和.雙饋風電機組雙PWM變換器控制技術的發展[J].科技創新與應用，2019（10）：146-147.

[3] 王愈凌.PTO指令及其在步進電機控制系統中的應用[J].機電信息，2019（05）：10-11.

[4] 馬猛猛.PLC在步進電機控制中的應用探究[J].科技創新與應用，2019（01）：161-162.

[5] 趙成龍，張春雷，陳龍.基于定時器的步進電機控制程序設計[J].精密制造與自動化，2018（04）：30-32.

[6] 劉洋.PLC變頻調速器對多電機系統控制研究[J].內燃機與配件，2018（08）：106-107.

（編輯：李丹）