0 引言

　　步進電動機是工業(yè)自動化過程中經常用到的一種控制傳動機構。步進電動機分為反應式、永磁式和混合式等。西門子PLC具有脈沖輸出和控制功能，可以實現(xiàn)對步進電動機的轉速、位移和轉向的控制，本文以 S7-200 為例說明 PLC 對步進電動機的控制技術。

1 步進電動機的控制要求

　　步進電動機必須使用專用的步進電動機驅動設備才能正常工作。隨著電力電子技術的發(fā)展，可以實現(xiàn)細分驅動，即將一個步距角細分為若干小步來驅動，步進電動機在伺服系統(tǒng)中的應用日益廣泛。步進電動機在啟動和停止時有一個加速和減速過程，且加速度越小則沖擊越小，動作越平穩(wěn)。所以步進電動機工作時一般要經歷這樣一個變化過程：加速 恒速（高速） 減速 恒速（低速） 停止。步進電動機轉速與脈沖頻率成正比，所以步進電動機的脈沖頻率也要經歷一個類似的變化過程，如圖1：

2 PLC 的脈沖輸出功能

　　為了配合步進電動機的控制，西門子 PLC 內置了脈沖輸出功能，并設置了相應的控制指令可以很好地對步進電動機進行控制。S7-200PLC 可以通過內置的脈沖串輸出(PTO)指令和脈寬調制（PWM）指令，實現(xiàn)速度和位置控制。PTO/PWM 發(fā)生器控制輸出，并禁止輸出點的正常使用，輸出波形不受輸出映像寄存器狀態(tài)、輸出強制、執(zhí)行立即輸出指令的影響；在 Q0.0 或 Q0.1 位置沒有使用 PTO 或 PWM

　　功能時，輸出映像寄存器控制輸出，所以輸出映像寄存器決定輸出波形的初始和結束狀態(tài)，

　　即決定脈沖輸出波形從高電平或低電平開始和結束，使輸出波形有短暫的不連續(xù)。

　　2.1 脈沖輸出指令 PLS

　　脈沖輸出指令 PLS 指令功能為：使能有效時，檢查用于脈沖輸出（Q0.0 或 Q0.1）的特殊存儲器位（SM），然后執(zhí)行特殊存儲器位定義的脈沖操作。指令格式為：PLS Q。

　　2.2 用于脈沖輸出的特殊存儲器（Q0.0 或 Q0.1）

　　2.2.1 控制字節(jié)和參數(shù)的特殊存儲器

　　每個 PTO/PWM 發(fā)生器都有一個控制字節(jié)（8 位）、一個脈沖計數(shù)值（無符號的 32 位數(shù)值）、一個周期時間和脈沖值（無符號的 16 位數(shù)值）。這些值都放在特定的特殊存儲區(qū)（SM），然后執(zhí)行特殊存儲器位定義的脈沖操作，即對相應的 PTO/PWM 發(fā)生器進行編程。

　　2.2.2 狀態(tài)字節(jié)的特殊存儲器

　　除了控制信息外，還有用于 PTO 功能的狀態(tài)位。程序運行時，根據(jù)運行狀態(tài)使某些位自動置位?？梢酝ㄟ^程序來讀取相關位的狀態(tài)，用此狀態(tài)作為判斷條件，實現(xiàn)相應的操作。

　　2.3 Q0.0 和 Q0.1 的共用

　　PTO/PWM 和輸出映像寄存器共用 Q0.0 和 Q0.1。在 Q0.0 或 Q0.1 使用 PTO 或 PWM 功能時 PTO/PWM 發(fā)生器控制輸出，并禁止輸出點的正常使用，輸出波形不受輸出映像寄存器狀態(tài)、輸出強制、執(zhí)行立即輸出指令的影響；在 Q0.0 或 Q0.1 位置沒有使用 PTO 或 PWM功能時，輸出映像寄存器控制輸出，所以輸出映像寄存器決定輸出波形的初始和結束狀態(tài)，即決定脈沖輸出波形從高電平或低電平開始和結束，使輸出波形有短暫的不連續(xù)。

　　2.4 脈沖串 PTO 輸出

　　PTO 是可以指定脈沖數(shù)和周期的占空比為 50%的高速脈沖串的輸出。狀態(tài)字節(jié)中的最高位（空閑位）用來指定脈沖串輸出是否完成?？稍诿}沖串完成時起動中斷程序，若使用多段操作，則在包絡表完成時起動中斷程序。

　　2.4.1 周期和脈沖數(shù)

　　周期范圍從 50~65535 S 或從 2~65535mS,為 16 位無符號數(shù)，時基有 S 和 mS 兩種，通過控制字節(jié)的第三位選擇。注意：如果周期小于 2 個時間單位，則周期的默認值為 2 個時間單位。周期設定奇數(shù)微秒或毫秒，會引起波形失真。脈沖計數(shù)范圍從 1 至 4294967295,為 32 位無符號數(shù)，如設定脈沖計數(shù)為 0，則系統(tǒng)默認脈沖計數(shù)值為 1。

　　2.4.2 PTO 的種類及特點

　　PTO 可輸出多個脈沖串，現(xiàn)用脈沖串輸出完成時，新的脈沖串輸出立即開始。這樣就保證了輸出脈沖串的連續(xù)性。PTO 功能允許多個脈沖串排隊，從而形成流水線。流水線分為兩種：單段流水線和多段流水線。單段流水線是指：流水線中只能存儲一個脈沖串的控制參數(shù)，初 PTO 段一旦起動，必須按照對第二個波形的要求立即刷新 SM，并再次執(zhí)行 PLS 指令，第一個脈沖串完成，第二個波形輸出立即開始，重復這一步驟可以實現(xiàn)多個脈沖串的輸出。單段流水線中的各段脈沖串可以采用不同的時間基準，但有可能造成脈沖串之間的不平穩(wěn)過渡，輸出多段高速脈沖時，編程復雜。多段流水線是指在變量存儲區(qū) V 建立一個包絡表。包絡表存放每個脈沖串的參數(shù)，執(zhí)行 PLS 指令時，S7-200PLC 自動按包絡表中的順序及參數(shù)進行脈沖串輸出。包絡表中每段脈沖串參數(shù)占用 8B，由一個 16 位周期增量值 （2B）和一個 32 位脈沖計數(shù)值（4B）組成。多段流水線的特點是編程簡單，能夠通過指定脈沖的數(shù)量自動增加或減少周期，周期增量值為正值會增加周期，為負會減少周期。在包絡表中的所有脈沖串必須采用同一時基，在多段流水線執(zhí)行時，包絡表的各段參數(shù)不能改變。多段流水線常用于步進電動機的控制。

　　2.5 脈寬可調脈沖輸出 PWM

　　PWM 是脈寬可調的高速脈沖輸出，通過控制脈寬和脈沖的周期，實現(xiàn)控制任務。

　　2.5.1 周期和脈寬

　　周期和脈寬時基為微秒和毫秒，均為 16 位無符號數(shù)。周期范圍為 50~65535 S 或 2~65535mS。如果周期小于 2 個時間單位，則周期的默認值為2 個時間單位。脈沖范圍為 0~65535 S 或 2~65535mS。若脈寬不小于周期，占空比為 100%，輸出連續(xù)接通。若脈寬為 0,占空比為 0%，則輸出斷開。

　　2.5.2 PWM 初始化和操作步驟

　　用首次掃描位（SM0.1）使輸出位復位為 0，并調用初始化子程序。這樣可減少掃描時間，程序結構更合理。在 SMW68 或 SMW78 中寫入一個字長的周期值；在 SMW70 或 SMW80 中寫入一個字長的脈寬值。然后執(zhí)行 PLS 指令，使 S7-300 為 PWM 編程，并由 Q0.0 或 Q0.1 輸出?？蔀橄乱惠敵雒}沖預設控制字。在 SMB67 或 SMB77 中寫入 16#D2 或 16#DA,控制字節(jié)中將禁止改變周期值，允許改變脈寬。以后只要裝入一個新的脈寬值，不用改變控制字節(jié)，直接執(zhí)行PLS 指令就可以改變脈寬值。

3 步進電動機的 PLC 控制程序

　　如上圖１,從 A 點到 B 點為加速過程，從 B 到 C 為恒速過程，從 C 到 D 為減速過程。按要求流水線可以分為三段，需建立三段脈沖的包絡表。設起始和終止脈沖頻率為 2Hz，最大脈沖頻率為 10 Hz，所以起始和終止周期為 500 S，最大頻率的周期為 100 S。1 段：加速運行，應在約 200 個脈沖時到達最大脈沖頻率；2 段：恒速運行，約 4400 個脈沖；3段減速運行，應在約 400 個脈沖時完成。用一個子程序實現(xiàn) PTO 初始化，I0.0 上升沿時從主程序調用初始化子程序，執(zhí)行初始化操作。以后的掃描不再調用該子程序，這樣減少掃描時間，程序結構更好。

4 結束語

　　本文結合一個步進電動機的具體控制要求，選擇 S7-200 或以上系列PLC的 PTO 脈沖串輸出功能，對步進電動機的運行過程進行控制。需要說明的是，PLC 在這里起到的是控制器的作用，而要組成一個完整的控制系統(tǒng)，需要增加一個步進電機驅動器，以進行脈沖分配和放大，以驅動步進電動機運行。