S7-200驅動步進電機心得
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。
原設備采用機械式計數，卷繞動力采用離合器傳動，元件卷繞的起動、停止、圈數控制等均由人工操作控制，因此存在產品參數離散性大、產品質量與生產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，要求卷軸平穩起動，均勻加速，以使用張力平穩；中間在某些位置需要停頓，作一些必要的處理，再繼續卷繞；和起動一樣，停頓或停止時，必須均勻減速，保持張力平穩；要求最后圈數準確。
2 控制系統構成
很自然地想到S7-200PLC應該能夠實現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，可以用來驅動步進電機或伺服電機，再由電機直接驅動卷繞主軸旋轉，完成工藝所要求的動作。
步進電機在成本上具有優勢，但是步進電機的運轉平穩性不如伺服電機，而兩者的定位精度（圈數）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。
步進電機的驅動，實際上是由相應的步進電機驅動器負責的，所以步進電機的相數齒數等等問題由相應的驅動器解決，選擇步進電機要考慮的主要是體積、轉矩、轉速等，不是本文的重點；PLC向驅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定的轉速下是否足夠平穩，是否適合作為薄膜卷繞的動力。
我們作了一個模型機進行試驗，采用細分型的驅動器，在50齒的電機上達到10000步/轉，經17：25齒的同步帶減速傳動（同時電機的振動也可衰減），結果運轉很平穩，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，目前已經按此方案批量進行改造。
CPU選擇224XPCN DC/DC/DC，系統構成如下：
224XP*1、步進電機*2、細分型驅動器*2、TD200*1、LED顯示屏*1、編碼器*1。
2.1 PTO0（Q0.0）輸出一路高速脈沖，負責驅動卷繞主軸的旋轉；
2.2 PTO1（Q0.1）輸出一路高速脈沖，負責驅動主軸的水平直線移動；
2.3 一個正交增量型編碼器裝在主軸上，作為卷繞圈數的反饋；
2.4 TD200作為人機界面，用于設定參數
2.5 一個LED顯示屏用于顯示實時的卷繞圈數。在實際生產中，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 控制系統完成的功能
3.1 控制系統首先要實現的功能，是卷繞的平穩起動、加速、減速、平穩停止。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的向導程序，非常容易實現。實際上，以目前的情況，線性加減速只能使用向導生成的程序，Siemens沒有公開獨立可使用的指令。
3.2 使用位置控制向導生成以下四個子程序（僅限CPU內的PTO，不包括專用模塊的情況），以PTO0為例：
3.2.1 PTO0_CTRL：每周期調用一次，可以控制PTO0的行為；
3.2.2 PTO0_MAN：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）；
3.2.3 PTO0_RUN：運行(在向導中生的)包絡，以預定的速度輸出確定個數的脈沖，也可以通過程序隨時時中止（減速或立即中止）。
3.2.4 PTO0_LDPOS：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，輸出脈沖數可變（圈數可設定），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PTO0_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。
3.3 精確的位置（圈數）控制
3.3.1 PTO0_RUN + 中斷
卷繞定位與圈數控制，達到0.1圈以內的精度即可，以10000步/轉的細分驅動器，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。
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行的位置，并在此位置設置中斷以便執行減速停止指令，就可保證輸出的序列脈沖個數在要求的誤差范圍內。
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。
3.3.1.1 用向導生成一個最高速單速包絡，從生成的PTO0_DATA中找出加速和減速脈沖數（可以參考
3.3.1.2 如果目標脈沖數大于加速和減速脈沖數之和，表示脈沖輸出可以加速到最高速，有恒速階段，那么中斷位置=目標脈沖數-減速脈沖數；
3.3.1.3 如果目標脈沖數不大于加速和減速脈沖數之和，無恒速階段，包絡變成一個等腰三角形（兩邊斜率相同的情況），那么中斷位置=目標脈沖數/2。
3.3.1.4 更進一步，水平恒速的速度可變，就象本案的情況，卷繞速度是可設定的，而且這個速度受機械/電機最高限速、薄膜最高線速的限制，取三者中的最小值，然后才能確定加速到該速度所需的脈沖數，通過簡單的數學計算即可獲得。
3.3.2 PTO0_RUN + 修改包絡參數
用向導生成一個單一速度包絡，我們來研究自動生成的包絡數據結構：
PTO0_DATA
//----------------------------------------------------------------
//輸出 Q0.0 的 PTO 包絡表
//----------------------------------------------------------------
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 //包絡 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 //加速的脈沖數
VB1037 0 //段 1 的 S_STEP
VB1038 16#04 //S_PROP
VD1039 +199707040 //SFREQ
VD1043 98 //恒速的脈沖數
VB1047 0 //段 2 的 S_STEP
VB1048 16#00 //S_PROP
VD1049 -1 //SFREQ
VD1053 49951 //減速的脈沖數
VB1057 0 //段 3 的 S_STEP
VB1058 16#10 //S_PROP
VD1059 +10240000 //SFREQ
VD1063 1 //最終減速的脈沖數
VB1067 0 //保留。
VB1068 0 //保留。
VB1069 0 //保留。
可以看出，一個最簡單的包絡分為4段（VB1025）：
段0：加速段，加速脈沖數在VD1033
段1：恒速段，恒速脈沖數在VD1043
段2：減速段，減速脈沖數在VD1063
段3：最終減速脈沖數，VD1063。依我的經驗看，這個最終減速脈沖數始終為1。
在向導中，只能生成有限的包絡，如果目標脈沖數任意的，我們只好修改包絡里面的數據了。加速段和減速段的脈沖數不方便改，因為線性加減速的指令并不清楚，所以只好修改恒速段的脈沖數。實踐證明，修改恒速段的脈沖數，可以非常容易且準確地控制輸出脈沖數。唯一的限制是，總的脈沖數，必須大于加減速段+最終減速段脈沖數之和，也即恒速段的脈沖不能小于1。
使用步驟：
3.3.2.1 在啟動PTO0_RUN之前，計算出恒速段的脈沖數=目標脈數數-加減速脈沖數之和-1，填入包絡表中的恒速位置；
3.3.2.2 啟動PTO0_RUN。
中斷是由高速計數器觸發的，所以在Q0.0的向導中使能HC0為作脈沖輸出內部反饋，在啟動PTO0前使能12#中斷“HSC0 CV=PV”，中斷程序樣例如下：
LD SM0.0
R M20.4, 1
CALL PTO0_MAN, M20.4, PTO0_V, VB290, VD292
DTCH 12
主軸的水平直線運動，行程比較固定，調節范圍小，使用“PTO1_RUN + 修改包絡參數”，安排在Q0.1。
4 項目運行
首臺設備改造完成于2005年12月，至目前已有6臺投入運行，效果達到預期的目標，保證了產品質量的一致性，生產效率也有提高，工人勞動強度明顯降低。
5 體會
S7-200是一款是非常優秀的微型控制器，許多功能進行深入研究之后可以做到靈活應用，拓寬其在小型控制領域的應用范圍，同時保持較低的應用成本。
S7-200非常象一臺帶控制IO功能的超級微型計算機，使用STL編程，完全不受繼電器邏輯那一套框框的約束，可以象一種計算機語言一樣自由地編程。
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