基于西门子PLC 的步进电动机控制技术

　　2.1 脉冲输出指令 PLS

　　脉冲输出指令 PLS 指令功能为：使能有效时，检查用于脉冲输出（Q0.0 或 Q0.1）的特殊存储器位（SM），然后执行特殊存储器位定义的脉冲操作。指令格式为：PLS Q。

　　2.2 用于脉冲输出的特殊存储器（Q0.0 或 Q0.1）

　　2.2.1 控制字节和参数的特殊存储器

　　每个 PTO/PWM 发生器都有一个控制字节（8 位）、一个脉冲计数值（无符号的 32 位数值）、一个周期时间和脉冲值（无符号的 16 位数值）。这些值都放在特定的特殊存储区（SM），然后执行特殊存储器位定义的脉冲操作，即对相应的 PTO/PWM 发生器进行编程。

　　2.2.2 状态字节的特殊存储器

　　除了控制信息外，还有用于 PTO 功能的状态位。程序运行时，根据运行状态使某些位自动置位。可以通过程序来读取相关位的状态，用此状态作为判断条件，实现相应的操作。

　　2.3 Q0.0 和 Q0.1 的共用

　　PTO/PWM 和输出映像寄存器共用 Q0.0 和 Q0.1。在 Q0.0 或 Q0.1 使用 PTO 或 PWM 功能时 PTO/PWM 发生器控制输出，并禁止输出点的正常使用，输出波形不受输出映像寄存器状态、输出强制、执行立即输出指令的影响；在 Q0.0 或 Q0.1 位置没有使用 PTO 或 PWM功能时，输出映像寄存器控制输出，所以输出映像寄存器决定输出波形的初始和结束状态，即决定脉冲输出波形从高电平或低电平开始和结束，使输出波形有短暂的不连续。

　　2.4 脉冲串 PTO 输出

　　PTO 是可以指定脉冲数和周期的占空比为 50%的高速脉冲串的输出。状态字节中的最高位（空闲位）用来指定脉冲串输出是否完成。可在脉冲串完成时起动中断程序，若使用多段操作，则在包络表完成时起动中断程序。

　　2.4.1 周期和脉冲数

　　周期范围从 50~65535 S 或从 2~65535mS,为 16 位无符号数，时基有 S 和 mS 两种，通过控制字节的第三位选择。注意：如果周期小于 2 个时间单位，则周期的默认值为 2 个时间单位。周期设定奇数微秒或毫秒，会引起波形失真。脉冲计数范围从 1 至 4294967295,为 32 位无符号数，如设定脉冲计数为 0，则系统默认脉冲计数值为 1。

　　2.4.2 PTO 的种类及特点

　　PTO 可输出多个脉冲串，现用脉冲串输出完成时，新的脉冲串输出立即开始。这样就保证了输出脉冲串的连续性。PTO 功能允许多个脉冲串排队，从而形成流水线。流水线分为两种：单段流水线和多段流水线。单段流水线是指：流水线中只能存储一个脉冲串的控制参数，初 PTO 段一旦起动，必须按照对第二个波形的要求立即刷新 SM，并再次执行 PLS 指令，第一个脉冲串完成，第二个波形输出立即开始，重复这一步骤可以实现多个脉冲串的输出。单段流水线中的各段脉冲串可以采用不同的时间基准，但有可能造成脉冲串之间的不平稳过渡，输出多段高速脉冲时，编程复杂。多段流水线是指在变量存储区 V 建立一个包络表。包络表存放每个脉冲串的参数，执行 PLS 指令时，S7-200PLC 自动按包络表中的顺序及参数进行脉冲串输出。包络表中每段脉冲串参数占用 8B，由一个 16 位周期增量值 （2B）和一个 32 位脉冲计数值（4B）组成。多段流水线的特点是编程简单，能够通过指定脉冲的数量自动增加或减少周期，周期增量值为正值会增加周期，为负会减少周期。在包络表中的所有脉冲串必须采用同一时基，在多段流水线执行时，包络表的各段参数不能改变。多段流水线常用于步进电动机的控制。

　　2.5 脉宽可调脉冲输出 PWM

　　PWM 是脉宽可调的高速脉冲输出，通过控制脉宽和脉冲的周期，实现控制任务。

　　2.5.1 周期和脉宽

　　周期和脉宽时基为微秒和毫秒，均为 16 位无符号数。周期范围为 50~65535 S 或 2~65535mS。如果周期小于 2 个时间单位，则周期的默认值为2 个时间单位。脉冲范围为 0~65535 S 或 2~65535mS。若脉宽不小于周期，占空比为 100%，输出连续接通。若脉宽为 0,占空比为 0%，则输出断开。

　　2.5.2 PWM 初始化和操作步骤

　　用首次扫描位（SM0.1）使输出位复位为 0，并调用初始化子程序。这样可减少扫描时间，程序结构更合理。在 SMW68 或 SMW78 中写入一个字长的周期值；在 SMW70 或 SMW80 中写入一个字长的脉宽值。然后执行 PLS 指令，使 S7-300 为 PWM 编程，并由 Q0.0 或 Q0.1 输出。可为下一输出脉冲预设控制字。在 SMB67 或 SMB77 中写入 16#D2 或 16#DA,控制字节中将禁止改变周期值，允许改变脉宽。以后只要装入一个新的脉宽值，不用改变控制字节，直接执行PLS 指令就可以改变脉宽值。

3 步进电动机的 PLC 控制程序

　　如上图１,从 A 点到 B 点为加速过程，从 B 到 C 为恒速过程，从 C 到 D 为减速过程。按要求流水线可以分为三段，需建立三段脉冲的包络表。设起始和终止脉冲频率为 2Hz，最大脉冲频率为 10 Hz，所以起始和终止周期为 500 S，最大频率的周期为 100 S。1 段：加速运行，应在约 200 个脉冲时到达最大脉冲频率；2 段：恒速运行，约 4400 个脉冲；3段减速运行，应在约 400 个脉冲时完成。用一个子程序实现 PTO 初始化，I0.0 上升沿时从主程序调用初始化子程序，执行初始化操作。以后的扫描不再调用该子程序，这样减少扫描时间，程序结构更好。

4 结束语

　　本文结合一个步进电动机的具体控制要求，选择 S7-200 或以上系列PLC的 PTO 脉冲串输出功能，对步进电动机的运行过程进行控制。需要说明的是，PLC 在这里起到的是控制器的作用，而要组成一个完整的控制系统，需要增加一个步进电机驱动器，以进行脉冲分配和放大，以驱动步进电动机运行。