解析S7-200驱动步进电机

　　1           项目简介

　　某公司有多台薄膜卷绕机需要进行自动化控制改造。

　　原设备采用机械式计数，卷绕动力采用离合器传动，元件卷绕的起动、停止、圈数控制等均由人工操作控制，因此存在产品参数离散性大、产品质量与生产效率因人而异等不足之处。化纤纺丝联合机组中的一种主要单元机；系指熔体纺丝时，用以使加工中所得到的初生纤维（包括长丝或短纤维丝束等）给予进一步的补充加工，并使之形成一定卷装形式的专用机械。

　　熔纺卷绕机一般具有如下四个主要组成部分：给湿上油部分、拉伸或导丝部分、卷绕部分和电器拖动及控制部分。按照所加工纤维品种的不同，熔纺卷绕机有：长丝卷绕机、短纤维卷绕机和产业用丝卷绕机等多种型式；就长丝卷绕机而言，又可分为常规卷绕机（绕丝速度1000～2000m/min）、高速卷绕机（3000～4000m/min）和超高速卷绕机（5000～8000m/min）等。

　　卷绕机主要用作胶管线，锦纶，涤纶帘子线，聚酯线绳卷绕，高科技纤维、涂层纱线、人造草丝、锂离子电池生产、涂层玻璃纤维、单丝、复丝扁丝（单丝或多头线收锭）、错式纱锭等领域。

　　工艺要求简述：由于卷制材料是10几微米的薄膜，要求卷轴平稳起动，均匀加速，以使用张力平稳；中间在某些位置需要停顿，作一些必要的处理，再继续卷绕；和起动一样，停顿或停止时，必须均匀减速，保持张力平稳；要求圈数准确。

　　2           控制系统构成

　　很自然地想到S7-200PLC应该能够实现项目要求的控制功能。

　　S7-200CPU本体已含有高速脉冲输出功能，普通型号的CPU脉冲输出频率达20KHz，而224XP（CN）更是高达100kHz，可以用来驱动步进电机或伺服电机，再由电机直接驱动卷绕主轴旋转，完成工艺所要求的动作。步进电机是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制元步进电机件。　　步进电机在成本上具有优势，但是步进电机的运转平稳性不如伺服电机，而两者的定位（圈数）的控制，在本工艺里都可以达到要求。我们考虑先试用步进电机的方案。

　　PLC向驱动器送的仅为代表速度与位置的脉冲，这里要考虑的是步进电机在规定的转速下是否足够平稳，是否适合作为薄膜卷绕的动力。

　　我们作了一个模型机进行试验，采用细分型的驱动器，在50齿的电机上达到10000步/转，经17：25齿的同步带减速传动（同时电机的振动也可衰减），结果运转很平稳，粗步确定可以达到工艺要求。于是正式试制一台，也获得成功，性能达到工艺要求，目前已经按此方案批量进行改造。

　　CPU选择224XPCN DC/DC/DC，系统构成如下：

　　224XP*1、步进电机*2、细分型驱动器*2、TD200*1、LED显示屏*1、编码器*1。

　　2.1         PTO0（Q0.0）输出一路高速脉冲，负责驱动卷绕主轴的旋转；

　　2.2         PTO1（Q0.1）输出一路高速脉冲，负责驱动主轴的水平直线移动；

　　2.3         一个正交增量型编码器装在主轴上，作为卷绕圈数的反馈；

　　2.4         TD200作为人机界面，用于设定参数

　　2.5         一个LED显示屏用于显示实时的卷绕圈数。在实际生产中，工人需要时时参考卷绕的进度，LED显示比LCD醒目，所以这里放置了一个自制的LED显示屏。LED屏和PLC的连接方式，可参考本人在2003年的论文集中的文章。LED显示屏（LED panel）：LED就是light emitting diode ，发光二极管的英文缩写，简称LED。它是一种通过控制半导体发光二极管的显示方式，其大概的样子就是由很多个通常是红色的发光二极管组成，靠灯的亮灭来显示字符。用来显示文字、图形、图像、动画、行情、视频、录像信号等各种信息的显示屏幕。

　　3           控制系统完成的功能

　　3.1         控制系统首先要实现的功能，是卷绕的平稳起动、加速、减速、平稳停止。在新版的S7-200中，支持高速输出口PTO0/PTO1的线性加/减速，通过MicroWin的向导程序，非常容易实现。

　　3.2         使用位置控制向导生成以下四个子程序（仅限CPU内的PTO，不包括专用模块的情况），以PTO0为例：

　　3.2.1          PTO0_CTRL：每周期调用，可以控制PTO0的行为；

　　3.2.2          PTO0_MAN：可以控制PTO0以某一频率输出脉冲，并且可以通过程序随时中止（减速或立即中止）；

　　3.2.3          PTO0_RUN：运行（在向导中生的）包络，以预定的速度输出确定个数的脉冲，也可以通过程序随时时中止（减速或立即中止）。

　　3.2.4          PTO0_LDPOS：装载位置用，本例使用相对位置，所以不必装载。

　　本例的工艺要求，输出脉冲数可变（圈数可设定），又要在工艺允许的情况下尽可能地按指定的速度运行，也要随时能够减速停止，包括人工手动的停车要求。直接使用PTO0_MAN和PTO0_RUN都无法直接满足要求，以下来研究配合辅助手段如何实现。PTO0_RUN：运行（在向导中生的）包络，以预定的速度输出确定个数的脉冲，也可以通过程序随时时中止（减速或立即中止）。

　　3.3         的位置（圈数）控制

　　3.3.1      PTO0_RUN + 中断

　　卷绕定位与圈数控制，达到0.1圈以内的即可，以10000步/转的细分驱动器，0.1圈相当于1000脉冲。

　　假使PTO正以100kHz速度输出脉冲，以1ms的时间响应中断，脉冲的误差约为100个，所以从理论上说，中断方式把脉冲误差控制在1000个以下完全可以。

　　如何实现？我们来看下面一个PTO0_MAN指令执行的示意图：

　　有恒速阶段

　　无恒速阶段

　　当PTO0_MAN指令RUN=1允许脉冲输出时，脉冲序列从速（起始速度，本例设为100p/s，很小，可以认为0）线性加速，加到指定速度speed后保持匀速，当收到减速停止RUN=0命令时，线性减速，至速后停止。

　　所以，我们只要在脉冲输出前计算出停止指令执行的位置，并在此位置设置中断以便执行减速停止指令，就可保证输出的序列脉冲个数在要求的误差范围内。

　　计算过程：

　　本例加速和减速的斜率是相同的，比较简单，如果两个斜率不同，计算稍麻烦一点，原理差不多。

　　3.3.1.1     用向导生成一个速单速包络，从生成的PTO0_DATA中找出加速和减速脉冲数（可以参考3.3.2节的描述），如果加减速斜率相同，这两个数应该是一样的，由于计算的关系，差几个脉冲也属正常。

　　3.3.1.2     如果目标脉冲数大于加速和减速脉冲数之和，表示脉冲输出可以加速到速，有恒速阶段，那么中断位置=目标脉冲数-减速脉冲数；

　　3.3.1.3     如果目标脉冲数不大于加速和减速脉冲数之和，无恒速阶段，包络变成一个等腰三角形（两边斜率相同的情况），那么中断位置=目标脉冲数/2。

　　3.3.1.4     更进一步，水平恒速的速度可变，就象本案的情况，卷绕速度是可设定的，而且这个速度受机械/电机限速、薄膜线速的限制，取三者中的值，然后才能确定加速到该速度所需的脉冲数，通过简单的数学计算即可获得。

　　3.3.2      PTO0_RUN + 修改包络参数

　　用向导生成一个单一速度包络，我们来研究自动生成的包络数据结构：

　　PTO0_DATA

　　//----------------------------------------------------------------

　　//输出 Q0.0 的 PTO 包络表

　　//----------------------------------------------------------------

　　VB1000 'PTOA'                      //

　　VW1004 54                          //FREQ

　　VD1006 10240000                    //SS_SPEED

　　VD1010 204800000                   //MAX_SPEED

　　VD1014 16#02000E69                 //K_ACC

　　VD1018 16#82FFF197                 //K_DEC

　　VB1022 1                           //NUMPROF

　　VW1023 25                          //OFFS_0

　　VB1025 4                           //包络 0 的 NUM_SEGS

　　VB1026 0                           //保留。

　　VB1027 0                           //段 0 的 S_STEP

　　VB1028 16#08                       //S_PROP

　　VD1029 +10240000                   //SFREQ

　　VD1033 49950                       //加速的脉冲数

　　VB1037 0                           //段 1 的 S_STEP

　　VB1038 16#04                       //S_PROP

　　VD1039 +199707040                  //SFREQ

　　VD1043 98                          //恒速的脉冲数

　　VB1047 0                           //段 2 的 S_STEP

　　VB1048 16#00                       //S_PROP

　　VD1049 -1                          //SFREQ

　　VD1053 49951                       //减速的脉冲数

　　VB1057 0                           //段 3 的 S_STEP

　　VB1058 16#10                       //S_PROP

　　VD1059 +10240000                   //SFREQ

　　VD1063 1                           //终减速的脉冲数

　　VB1067 0                           //保留。

　　VB1068 0                           //保留。

　　VB1069 0                           //保留。

　　可以看出，一个简单的包络分为4段（VB1025）：

　　段0：加速段，加速脉冲数在VD1033

　　段1：恒速段，恒速脉冲数在VD1043

　　段2：减速段，减速脉冲数在VD1063

　　段3：终减速脉冲数，VD1063。依我的经验看，这个终减速脉冲数始终为1。

　　在向导中，只能生成有限的包络，如果目标脉冲数任意的，我们只好修改包络里面的数据了。加速段和减速段的脉冲数不方便改，所以只好修改恒速段的脉冲数。按其信号波形分为四大类。按其信号波形分为四大类：

　　①正弦信号发生器。主要用于测量电路和系统的频率特性、非线性失真、增益及灵敏度等。按其不同性能和用途还可细分为低频（20赫至10兆赫）信号发生器、高频（100千赫至300兆赫）信号发生器、微波信号发生器、扫频和程控信号发生器、频率合成式信号发生器等。

　　②函数（波形）信号发生器。能产生某些特定的周期性时间函数波形（正弦波、方波、三角波、锯齿波和脉冲波等）信号，频率范围可从几个微赫到几十兆赫。除供通信、仪表和自动控制系统测试用外，还广泛用于其他非电测量领域。

　　③脉冲信号发生器。能产生宽度、幅度和重复频率可调的矩形脉冲的发生器，可用以测试线性系统的瞬态响应，或用作模拟信号来测试雷达、多路通信和其他脉冲数字系统的性能。

　　④随机信号发生器。通常又分为噪声信号发生器和伪随机信号发生器两类。噪声信号发生器主要用途为：在待测系统中引入一个随机信号，以模拟实际工作条件中的噪声而测定系统性能；外加一个已知噪声信号与系统内部噪声比较以测定噪声系数；用随机信号代替正弦或脉冲信号，以测定系统动态特性等。当用噪声信号进行相关函数测量时，若平均测量时间不够长，会出现统计性误差，可用伪随机信号来解决。

　　使用步骤：

　　3.3.2.1     在启动PTO0_RUN之前，计算出恒速段的脉冲数=目标脉数数-加减速脉冲数之和-1，填入包络表中的恒速位置；

　　3.3.2.2     启动PTO0_RUN。

　　3.4         在本项目的设备改造中，主轴卷绕的圈数、中间起停点的变化范围大，使用“PTO0_RUN + 中断”，安排在Q0.0输出；

　　中断是由高速计数器触发的，所以在Q0.0的向导中使能HC0为作脉冲输出内部反馈，在启动PTO0前使能12#中断“HSC0 CV=PV”，中断程序样例如下：

　　LD     SM0.0

　　R      M20.4, 1

　　CALL   PTO0_MAN, M20.4, PTO0_V, VB290, VD292

　　DTCH   12

　　主轴的水平直线运动，行程比较固定，使用“PTO1_RUN + 修改包络参数”，安排在Q0.1。

　　4           项目运行

　　至目前已有6台投入运行，效果达到预期的目标，保证了产品质量的一致性，生产效率也有提高，工人劳动强度明显降低。

　　                                           控制箱实物

　　5           体会

　　S7-200是一款是非常的微型控制器，S7-200系列在集散自动化系统中充分发挥其强大功能。使用范围可覆盖从替代继电器的简单控制到更复杂的自动化控制。应用领域极为广泛，覆盖所有与自动检测，自动化控制有关的工业及民用领域，包括各种机床、机械、电力设施、民用设施、环境保护设备等等。如：冲压机床，磨床，印刷机械，橡胶化工机械，中央空调，电梯控制，运动系统。