S7-200驅(qū)動步進電機心得

1、S7-200驅(qū)動步進電機心得1 項目簡介某公司有多臺薄膜卷繞機需要進行自動化控制改造。原設(shè)備采用機械式計數(shù)， 卷繞動力采用離合器傳動， 元件卷繞的起動、停止、圈數(shù)控制等均由人工操作控制，因此存在產(chǎn)品參數(shù)離散性大、產(chǎn)品質(zhì)量與生產(chǎn)效率因人而異等不足之處。工藝要求簡述：由于卷制材料是 10 幾微米的薄膜，要求卷軸平穩(wěn)起動，均勻加速，以使用張力平穩(wěn)；中間在某些位置需要停頓，作一些必要的處理，再繼續(xù)卷繞；和起動一樣，停頓或停止時，必須均勻減速，保持張力平穩(wěn)；要求最后圈數(shù)準確。2 控制系統(tǒng)構(gòu)成很自然地想到 S7-200PLC應(yīng)該能夠?qū)崿F(xiàn)項目要求的控制功能。S7-200CPU本體已含有高速脈沖輸出功能，普通

2、型號的CPU 脈沖輸出頻率達 20KHz，而 224XP（CN）更是高達 100kHz，可以用來驅(qū)動步進電機或伺服電機，再由電機直接驅(qū)動卷繞主軸旋轉(zhuǎn)，完成工藝所要求的動作。步進電機在成本上具有優(yōu)勢，但是步進電機的運轉(zhuǎn)平穩(wěn)性不如伺服電機，而兩者的定位精度 （圈數(shù)）的控制，在本工藝里都可以達到要求。我們考慮先試用步進電機的方案。步進電機的驅(qū)動，實際上是由相應(yīng)的步進電機驅(qū)動器負責的，所以步進電機的相數(shù)齒數(shù)等等問題由相應(yīng)的驅(qū)動器解決，選擇步進電機要考慮的主要是體積、轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速等，不是本文的重點；PLC向驅(qū)動器送的僅為代表速度與位置的脈沖，這里要考慮的是步進電機在規(guī)定的轉(zhuǎn)速下是否足夠平穩(wěn)，是否適合作為薄

3、膜卷繞的動力。我們作了一個模型機進行試驗，采用細分型的驅(qū)動器，在50 齒的電機上達到 10000 步/ 轉(zhuǎn)，經(jīng) 17：25 齒的同步帶減速傳動（同時電機的振動也可衰減），結(jié)果運轉(zhuǎn)很平穩(wěn)，粗步確定可以達到工藝要求。于是正式試制一臺，也獲得成功，性能達到工藝要求，目前已經(jīng)按此方案批量進行改造。CPU選擇 224XPCNDC/DC/DC，系統(tǒng)構(gòu)成如下：224XP*1、步進電機 *2 、細分型驅(qū)動器 *2 、TD200*1、LED 顯示屏 *1 、編碼器 *1 。2.1PTO0（Q0.0）輸出一路高速脈沖，負責驅(qū)動卷繞主軸的旋轉(zhuǎn)；2.2PTO1（Q0.1）輸出一路高速脈沖，負責驅(qū)動主軸的水平直線移動；

4、2.3 一個正交增量型編碼器裝在主軸上，作為卷繞圈數(shù)的反饋；2.4TD200作為人機界面，用于設(shè)定參數(shù)2.5 一個 LED顯示屏用于顯示實時的卷繞圈數(shù)。在實際生產(chǎn)中，工人需要時時參考卷繞的進度， LED顯示比 LCD醒目，所以這里放置了一個自制的 LED顯示屏。 LED屏和 PLC的連接方式，可參考本人在2003 年的專家論文集中的文章。3 控制系統(tǒng)完成的功能3.1 控制系統(tǒng)首先要實現(xiàn)的功能，是卷繞的平穩(wěn)起動、加速、減速、平穩(wěn)停止。在新版的S7-200 中，支持高速輸出口PTO0/PTO1的線性加 /減速，通過 MicroWin 的向?qū)С绦?，非常容易實現(xiàn)。實際上，以目前的情況，線性加減速只能使

5、用向?qū)傻某绦?，Siemens沒有公開獨立可使用的指令。3.2 使用位置控制向?qū)梢韵滤膫€子程序（僅限CPU內(nèi)的 PTO，不包括專用模塊的情況），以 PTO0為例：每周期調(diào)用一次，可以控制PTO0的行為；：可以控制 PTO0以某一頻率輸出脈沖，并且可以通過程序隨時中止（減速或立即中止） ；：運行 (在向?qū)е猩?)包絡(luò)，以預(yù)定的速度輸出確定個數(shù)的脈沖，也可以通過程序隨時時中止（減速或立即中止）。：裝載位置用，本例使用相對位置，所以不必裝載。本例的工藝要求，輸出脈沖數(shù)可變（圈數(shù)可設(shè)定），又要在工藝允許的情況下盡可能地按指定的速度運行，也要隨時能夠減速停止，包括人工手動的停車要求。直接使用PT

6、O0_MAN和 PTO0_RUN都無法直接滿足要求，以下來研究配合輔助手段如何實現(xiàn)。3.3 精確的位置（圈數(shù)）控制中斷卷繞定位與圈數(shù)控制，達到0.1 圈以內(nèi)的精度即可，以10000 步/ 轉(zhuǎn)的細分驅(qū)動器， 0.1 圈相當于 1000 脈沖。假使 PTO正以最高 100kHz速度輸出脈沖， 以 1ms 的時間響應(yīng)中斷， 脈沖的誤差約為100 個，所以從理論上說，中斷方式把脈沖誤差控制在1000 個以下完全可以。如何實現(xiàn)？我們來看下面一個PTO0_MAN指令執(zhí)行的示意圖：有恒速階段無恒速階段當 PTO0_MAN指令 RUN=1允許脈沖輸出時，脈沖序列從最低速（起始速度，本例設(shè)為 100p/s，很小，可以認為 0）線性加速，加到指定速度speed 后保持勻速，當收到減速停止RUN=0 命令時，線性減速，至最低速后停止。所以，我們只要在脈沖輸出前計算出停止指令執(zhí)行的位置，并在此位置設(shè)置中斷以便執(zhí)行減速停止指令，就可保證輸出的序列脈沖個數(shù)在要求的誤差范圍內(nèi)。計算過程：本例加速和減速的斜率是相同的，比較簡單，如果兩個斜率不同，計算稍麻煩一點，原理差不多。用向?qū)梢粋€最高速單速包絡(luò)，從生成的 PTO0_DATA中找出加速和減速脈沖數(shù)（可以參考節(jié)的描述），如果加減速斜率相同，這兩個數(shù)應(yīng)