基于S7-200PLC的調(diào)速器步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)方法

沈 宏，張 偉，安艷濤

（1.河南科技學(xué)院，新鄉(xiāng) 453003；2.陜西江河水利水電土木勘測設(shè)計(jì)研究院，西安 710016）

0 引言

水輪機(jī)可編程調(diào)速器（簡稱PLC調(diào)速器）自20世紀(jì)90年代初投運(yùn)于水電站以來，由于其面向工業(yè)現(xiàn)場具有可靠性高，易學(xué)易懂等優(yōu)點(diǎn)，因而越來越受到用戶的歡迎，然而作為電氣-機(jī)械-液壓轉(zhuǎn)換部件的電液轉(zhuǎn)換器的抗油污能力較差，卻成為制約電液調(diào)速系統(tǒng)可靠性的致命因素[1]。針對這一棘手問題，相關(guān)單位陸續(xù)推出了一些采用步進(jìn)電機(jī)代替電液轉(zhuǎn)換器的步進(jìn)式可編程調(diào)速器并投入運(yùn)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(jìn)式可編程調(diào)速器能夠方便地控制位移、速度、方向，配以滾珠絲桿后可達(dá)到極高控制精度，所以可以在較寬的范圍內(nèi)調(diào)速。并且在負(fù)載能力范圍內(nèi)，其輸出轉(zhuǎn)角定位精度無積累誤差，故在水輪機(jī)調(diào)速器中已占有相當(dāng)?shù)姆蓊~[2]。

但步進(jìn)式可編程調(diào)速器在步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)上依然存在一些問題，比如在目前的水輪機(jī)調(diào)節(jié)領(lǐng)域中，許多PLC調(diào)速器步進(jìn)電機(jī)采用簡單的直接啟動(dòng)方式，而對于水輪機(jī)調(diào)節(jié)系統(tǒng)，系統(tǒng)的極限起動(dòng)頻率是比較低的，而要求的運(yùn)行速度往往較高。如果系統(tǒng)以要求的速度直接起動(dòng)，則很有可能發(fā)生失步或根本不運(yùn)行的情況。不僅如此，系統(tǒng)運(yùn)行起來之后，如果到在到達(dá)終點(diǎn)時(shí)就立即停發(fā)脈沖，則會(huì)因?yàn)閼T性的原因，發(fā)生沖過終點(diǎn)的現(xiàn)象，使點(diǎn)-位控制發(fā)生偏差，從而使調(diào)速器不能正常運(yùn)行[3,4]。

所以，為保證步進(jìn)電機(jī)的控制精度，如何處理好其升、降速驅(qū)動(dòng)問題就顯得十分重要。因此要根據(jù)步進(jìn)電機(jī)的動(dòng)力學(xué)特性及矩頻特性來尋找最佳的升降速曲線，在數(shù)學(xué)上這種曲線是比較復(fù)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(nèi)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(jìn)電機(jī)發(fā)出進(jìn)給脈沖，通過軟件編程實(shí)現(xiàn)脈沖頻率的變化，從而精確地實(shí)現(xiàn)了步進(jìn)電機(jī)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(yīng)用在水輪機(jī)調(diào)速器中，實(shí)現(xiàn)了對步進(jìn)電機(jī)的精確控制，使步進(jìn)式水輪機(jī)調(diào)速器控制性能大為改善。

1 S7-200步進(jìn)電機(jī)調(diào)速器硬件系統(tǒng)圖

西門子S7-200CPU224XP系列有兩路高頻率脈沖輸出，具有實(shí)時(shí)刷新技術(shù)，其信號輸出頻率最高可達(dá)20KHz，可以用于控制步進(jìn)電機(jī)以實(shí)現(xiàn)精確定位任務(wù)。其硬件系統(tǒng)接線圖如圖1所示。

2 設(shè)計(jì)思想

圖1 S7-200步進(jìn)電機(jī)調(diào)速器硬件接線圖

在步進(jìn)式水輪機(jī)調(diào)速器中，為提高工作效率，步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)的加速，減速特性非常重要，如果設(shè)計(jì)不合理，將會(huì)引起步進(jìn)電機(jī)堵轉(zhuǎn)、失步（運(yùn)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(jìn)電機(jī)加速啟動(dòng)、恒速運(yùn)行和減速停止過程中脈沖頻率與時(shí)間的關(guān)系。

由于步進(jìn)電機(jī)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(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器。步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器主要由脈沖發(fā)生控制單元，功率驅(qū)動(dòng)單元等組成。本調(diào)速器將脈沖發(fā)生控制單元通過S7-200的高速脈沖指令來實(shí)現(xiàn)，外加功率放大單元來替代專用步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，成本顯著降低[6]。

用可編程控制器對步進(jìn)電動(dòng)機(jī)進(jìn)行加減速控制時(shí)，實(shí)際上就是改變高速脈沖輸出的時(shí)間間隔，升速時(shí)使脈沖串逐漸加密，減速時(shí)使脈沖串逐漸稀疏。用定時(shí)中斷方式來控制電動(dòng)機(jī)變速。升速時(shí)的起始速度應(yīng)等于或略小于系統(tǒng)的極限起動(dòng)頻率（速度），而不是從零開始。減速過程結(jié)束時(shí)的速度一般應(yīng)等于或低于啟動(dòng)速度，再經(jīng)數(shù)步低速運(yùn)行后停止。

系統(tǒng)在執(zhí)行升降速的控制過程中，對加減速過程的控制要準(zhǔn)備下列數(shù)據(jù)：

1）加減速的斜率。在直線加速過程中，速度不是連續(xù)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(gè)速度臺(tái)階上運(yùn)行的時(shí)間，時(shí)間△t越小，升速越快，反之漸慢?！鱰的大小可由理論分析或?qū)嶒?yàn)確定，以升速最快而不丟步為原則。則每個(gè)臺(tái)階運(yùn)行的步數(shù)為NS=fs?△t =S?△N，其中fs為對應(yīng)每一檔的頻率，△N反映了每個(gè)速度臺(tái)階運(yùn)行步數(shù)與速度字S之間的關(guān)系。程序在執(zhí)行過程中，每次速度升一檔，都要計(jì)算這個(gè)臺(tái)階應(yīng)走的步數(shù)，然后以遞減方式檢查，當(dāng)減至零時(shí)表示該檔速度運(yùn)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(shù)。電動(dòng)在機(jī)升速過程中，一直對這個(gè)總步數(shù)進(jìn)行遞減操作，當(dāng)減至零時(shí)表示升速過程完畢，轉(zhuǎn)入恒速運(yùn)行。

3）恒速運(yùn)行的總步數(shù)。電動(dòng)機(jī)在恒速運(yùn)行過程中，一直對這個(gè)總步數(shù)進(jìn)行遞減操作，當(dāng)減至零時(shí)表示恒速過程完畢，轉(zhuǎn)入減速運(yùn)行。

4）減速過程的總步數(shù)。這個(gè)步數(shù)可以取與升速過程總步數(shù)相同。減速過程的規(guī)律也與升速過程相同，只是按相反的順序進(jìn)行即可。

在上面的數(shù)據(jù)確定后，我們就可以編制一個(gè)完整的具有升減速過程的點(diǎn)-位控制運(yùn)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(chǎn)生高速脈沖，用來驅(qū)動(dòng)負(fù)載實(shí)現(xiàn)精確控制。

S7-200有兩個(gè)PTO/PWM發(fā)生器[7]，分別產(chǎn)生高速脈沖串和脈沖寬度可調(diào)的波形。PTO/PWM發(fā)生器的編號分配在數(shù)字輸出點(diǎn)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(shù)；脈沖寬度調(diào)制（PWM）功能提供連續(xù)、占空比可調(diào)的脈沖輸出，并由用戶控制脈沖周期和脈沖寬度。

PTO/PWM發(fā)生器有一個(gè)8位的控制字節(jié)，一個(gè)16位無符號的周期值，一個(gè)16位無符號的脈寬值（僅PWM有），和一個(gè)32位無符號的脈沖計(jì)數(shù)值（僅PTO有）。這些數(shù)值全部存儲(chǔ)在指定的特殊存儲(chǔ)器（SM）中，特殊存儲(chǔ)器的各位設(shè)置完畢后，即可執(zhí)行脈沖（PLS）指令。PLS指令使CPU讀取特殊存儲(chǔ)器中的位，并對相應(yīng)的PTO/PWM發(fā)生器進(jìn)行編程。修改特殊存儲(chǔ)器（SM）區(qū)(包括控制字節(jié))，并執(zhí)行PLS指令，可以改變PTO或PWM特性。當(dāng)PTO/PWM控制字節(jié)（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(shù)據(jù)，使程序按控制寄存器中的值所對應(yīng)的功能來控制PTO/PWM發(fā)生器。因此在執(zhí)行PLS指令前，必須設(shè)置好控制寄存器。

2.3 PTO操作

PTO功能可以提供指定脈沖數(shù)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(shù)的范圍是：1～4294967295。

如果周期時(shí)間小于最小值，就把周期默認(rèn)為最小值；如果指定脈沖數(shù)為0，就把脈沖數(shù)默認(rèn)為1個(gè)脈沖。

狀態(tài)字節(jié)中的PTO空閑位（SM66.7或SM76.7）為1時(shí)，則表示脈沖串輸出完成?？筛鶕?jù)脈沖串輸出的完成調(diào)用中斷子程序。

若要輸出多個(gè)脈沖串，PTO功能允許脈沖串的排隊(duì)，形成管線。當(dāng)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(xù)性。

PTO發(fā)生器具有單段管線和多段管線兩種模式。其中PTO發(fā)生器的多段管線功能在對步進(jìn)電機(jī)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(chǔ)區(qū)建立一個(gè)包絡(luò)表。包絡(luò)表中存儲(chǔ)各個(gè)脈沖串的控制參數(shù)，多段管線用PLS指令啟動(dòng)。執(zhí)行指令時(shí)，CPU自動(dòng)從包絡(luò)表中按順序讀出每個(gè)脈沖串的控制參數(shù)，并實(shí)施脈沖串輸出。當(dāng)執(zhí)行PLS指令時(shí)，包絡(luò)內(nèi)容不可改變。

在包絡(luò)表中周期增量可以選擇微秒或毫秒，但在同一個(gè)包絡(luò)表中的所有周期值必須使用同一個(gè)時(shí)間基準(zhǔn)。

如果在輸出若干個(gè)脈沖后指定的周期增量值導(dǎo)致非法周期值，就會(huì)產(chǎn)生溢出錯(cuò)誤， SM66.7或SM76.7被置為1，同時(shí)停止PTO功能，PLC的輸出變?yōu)橥ㄓ霉δ堋Ａ硗?，狀態(tài)字節(jié)中的增量計(jì)算錯(cuò)誤位（SM66.7或SM76.7）被置為1。

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

2.3.2包絡(luò)表參數(shù)的計(jì)算

本文以接力器運(yùn)行100%全行程為例，設(shè)對應(yīng)的步進(jìn)電機(jī)為3000步，按照圖2所示原理，若步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)行控制分為3段（啟動(dòng)，運(yùn)行，減速），則共需要3000個(gè)脈沖[8,9]。啟動(dòng)和減速的脈沖頻率是16Hz，最大脈沖頻率是1KHz。由于包絡(luò)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(zhuǎn)換成周期值。啟動(dòng)和減速的周期是62500μs，最大脈沖頻率對應(yīng)的周期是1000μs。

要求加速部分在125個(gè)脈沖內(nèi)達(dá)到最大脈沖頻率（1KHz），減速部分在250個(gè)脈沖內(nèi)完成。

PTO發(fā)生器用來調(diào)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(jié)束周期；ICT為該段初始周期；Q為該段脈沖數(shù)。

計(jì)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(dāng)接力器從0走到75%、50%、25%全行程時(shí)的運(yùn)動(dòng)控制也可以分為3段（啟動(dòng)，運(yùn)行，減速），此時(shí)分別需要脈沖2250、1500、750個(gè)。

假定包絡(luò)表存放在從VB500開始的V存儲(chǔ)器區(qū)，以接力器行程為0～100%為例，相應(yīng)的包絡(luò)表參數(shù)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(chǔ)器中。

3 程序?qū)崿F(xiàn)

3.1 PTO多段操作初始化及操作步驟

1）利用第一掃描內(nèi)存位（SM0.1）復(fù)位輸出為0，并調(diào)用所要的子程序進(jìn)行初始化操作。這樣可節(jié)約掃描執(zhí)行時(shí)間，并使程序結(jié)構(gòu)化更強(qiáng)。

表1 包絡(luò)表值

2）在初始化子程序內(nèi)，以微秒為遞增單位把PTO數(shù)值16#A0存入SMB67。這些數(shù)值設(shè)定控制字節(jié)的目的是：啟動(dòng)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(jù)要求頻率計(jì)算選用微秒為單位。

3）用包絡(luò)表的起始V內(nèi)存偏移量存入SMW168。

4）設(shè)定包絡(luò)表內(nèi)的段數(shù)值，保證段數(shù)目數(shù)值正確。

5）執(zhí)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(qū)動(dòng)程序流程圖

3.2 S7-200控制器輸出的驅(qū)動(dòng)程序（如圖4所示）

4 結(jié)論

這種以S7-200PLC 224XP為硬件主體，采用軟件編程實(shí)現(xiàn)對步進(jìn)電機(jī)的加減速控制，靈活易變，抗噪性能強(qiáng)，既經(jīng)濟(jì)又節(jié)約空間，克服了以往PLC調(diào)速器步進(jìn)電機(jī)采用簡單的直接啟動(dòng)方式的不足， 可以通過對包絡(luò)表中相應(yīng)的控制字做出修改來調(diào)節(jié)步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)行參數(shù)，使PLC調(diào)速器對步進(jìn)電機(jī)的控制精度更加精確[10]，驅(qū)動(dòng)功能更加完善，大大減少了CPU的占用時(shí)間，提高了系統(tǒng)的響應(yīng)速度，具有較強(qiáng)的實(shí)用性。

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