《電子技術(shù)應(yīng)用》
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S7-200驅(qū)動步進(jìn)電機(jī)心得
楊言孝
摘要: S7-200CPU本身帶有高速脈沖輸出功能,特另是224XP(CN)的高速輸出頻率達(dá)到100kHz,十分適合作為步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動脈沖,配以細(xì)分型的驅(qū)動器,在某些應(yīng)用場合,效果逼近伺服電機(jī),取得性能和經(jīng)濟(jì)性的最佳平衡。
關(guān)鍵詞: PLC|PAC PLC S7-200 西門子
Abstract:
Key words :

1           項目簡介

某公司有多臺薄膜卷繞機(jī)需要進(jìn)行自動化控制改造。

原設(shè)備采用機(jī)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(zhǔn)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,普通型號的CPU脈沖輸出頻率達(dá)20KHz,而224XPCN)更是高達(dá)100kHz,可以用來驅(qū)動步進(jìn)電機(jī)或伺服電機(jī),再由電機(jī)直接驅(qū)動卷繞主軸旋轉(zhuǎn),完成工藝所要求的動作。

步進(jìn)電機(jī)在成本上具有優(yōu)勢,但是步進(jìn)電機(jī)的運轉(zhuǎn)平穩(wěn)性不如伺服電機(jī),而兩者的定位精度(圈數(shù))的控制,在本工藝?yán)锒伎梢赃_(dá)到要求。我們考慮先試用步進(jìn)電機(jī)的方案。

步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動,實際上是由相應(yīng)的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器負(fù)責(zé)的,所以步進(jìn)電機(jī)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(jìn)電機(jī)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(jìn)電機(jī)在規(guī)定的轉(zhuǎn)速下是否足夠平穩(wěn),是否適合作為薄膜卷繞的動力。

我們作了一個模型機(jī)進(jìn)行試驗,采用細(xì)分型的驅(qū)動器,在50齒的電機(jī)上達(dá)到10000/轉(zhuǎn),經(jīng)1725齒的同步帶減速傳動(同時電機(jī)的振動也可衰減),結(jié)果運轉(zhuǎn)很平穩(wěn),粗步確定可以達(dá)到工藝要求。于是正式試制一臺,也獲得成功,性能達(dá)到工藝要求,目前已經(jīng)按此方案批量進(jìn)行改造。

CPU選擇224XPCN DC/DC/DC,系統(tǒng)構(gòu)成如下:

224XP*1、步進(jìn)電機(jī)*2、細(xì)分型驅(qū)動器*2、TD200*1LED顯示屏*1、編碼器*1。

2.1         PTO0Q0.0)輸出一路高速脈沖,負(fù)責(zé)驅(qū)動卷繞主軸的旋轉(zhuǎn);

2.2         PTO1Q0.1)輸出一路高速脈沖,負(fù)責(zé)驅(qū)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(shù)的反饋;

2.4         TD200作為人機(jī)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(jìn)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绦颍浅H菀讓崿F(xiàn)。實際上,以目前的情況,線性加減速只能使用向?qū)傻某绦颍?/span>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:

3.2.1          PTO0_CTRL:每周期調(diào)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?qū)е猩?/span>)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)。

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(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PTO0_MANPTO0_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

3.3.1      PTO0_RUN + 中斷

卷繞定位與圈數(shù)控制,達(dá)到0.1圈以內(nèi)的精度即可,以10000/轉(zhuǎn)的細(xì)分驅(qū)動器,0.1圈相當(dāng)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 

有恒速階段

無恒速階段  

無恒速階段 

當(dāng)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(rèn)為0)線性加速,加到指定速度speed后保持勻速,當(dāng)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。

3.3.1.1     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3.3.2節(jié)的描述),如果加減速斜率相同,這兩個數(shù)應(yīng)該是一樣的,由于計算精度的關(guān)系,差幾個脈沖也屬正常。這個數(shù)據(jù)在程序中可以作為常數(shù)使用。

3.3.1.2     如果目標(biāo)脈沖數(shù)大于加速和減速脈沖數(shù)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(biāo)脈沖數(shù)-減速脈沖數(shù);

3.3.1.3     如果目標(biāo)脈沖數(shù)不大于加速和減速脈沖數(shù)之和,無恒速階段,包絡(luò)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(biāo)脈沖數(shù)/2。

3.3.1.4     更進(jìn)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(shè)定的,而且這個速度受機(jī)械/電機(jī)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(shù),通過簡單的數(shù)學(xué)計算即可獲得。

3.3.2      PTO0_RUN + 修改包絡(luò)參數(shù)

用向?qū)梢粋€單一速度包絡(luò),我們來研究自動生成的包絡(luò)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu):

PTO0_DATA

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

//輸出 Q0.0 PTO 包絡(luò)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(luò) 0 NUM_SEGS

VB1026 0                           //保留。

VB1027 0                           // 0 S_STEP

VB1028 16#08                       //S_PROP

VD1029 +10240000                   //SFREQ

VD1033 49950                       //加速的脈沖數(shù)

VB1037 0                           // 1 S_STEP

VB1038 16#04                       //S_PROP

VD1039 +199707040                  //SFREQ

VD1043 98                          //恒速的脈沖數(shù)

VB1047 0                           // 2 S_STEP

VB1048 16#00                       //S_PROP

VD1049 -1                          //SFREQ

VD1053 49951                       //減速的脈沖數(shù)

VB1057 0                           // 3 S_STEP

VB1058 16#10                       //S_PROP

VD1059 +10240000                   //SFREQ

VD1063 1                           //最終減速的脈沖數(shù)

VB1067 0                           //保留。

VB1068 0                           //保留。

VB1069 0                           //保留。

可以看出,一個最簡單的包絡(luò)分為4段(VB1025):

0:加速段,加速脈沖數(shù)在VD1033

1:恒速段,恒速脈沖數(shù)在VD1043

2:減速段,減速脈沖數(shù)在VD1063

3:最終減速脈沖數(shù),VD1063。依我的經(jīng)驗看,這個最終減速脈沖數(shù)始終為1。

在向?qū)е?,只能生成有限的包絡(luò),如果目標(biāo)脈沖數(shù)任意的,我們只好修改包絡(luò)里面的數(shù)據(jù)了。加速段和減速段的脈沖數(shù)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(shù)。實踐證明,修改恒速段的脈沖數(shù),可以非常容易且準(zhǔn)確地控制輸出脈沖數(shù)。唯一的限制是,總的脈沖數(shù),必須大于加減速段+最終減速段脈沖數(shù)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(shù)=目標(biāo)脈數(shù)數(shù)-加減速脈沖數(shù)之和-1,填入包絡(luò)表中的恒速位置;

3.3.2.2     啟動PTO0_RUN。

 

3.4         在本項目的設(shè)備改造中,主軸卷繞的圈數(shù)、中間起停點的變化范圍大,使用“PTO0_RUN + 中斷”,安排在Q0.0輸出;

中斷是由高速計數(shù)器觸發(fā)的,所以在Q0.0的向?qū)е惺鼓?/span>HC0為作脈沖輸出內(nèi)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(diào)節(jié)范圍小,使用“PTO1_RUN + 修改包絡(luò)參數(shù)”,安排在Q0.1。

 

4           項目運行

首臺設(shè)備改造完成于200512月,至目前已有6臺投入運行,效果達(dá)到預(yù)期的目標(biāo),保證了產(chǎn)品質(zhì)量的一致性,生產(chǎn)效率也有提高,工人勞動強(qiáng)度明顯降低。

    控制箱實物

             控制箱實物

 

5           體會

S7-200是一款是非常優(yōu)秀的微型控制器,許多功能進(jìn)行深入研究之后可以做到靈活應(yīng)用,拓寬其在小型控制領(lǐng)域的應(yīng)用范圍,同時保持較低的應(yīng)用成本。

S7-200非常象一臺帶控制IO功能的超級微型計算機(jī),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(jī)語言一樣自由地編程。

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