【文章內(nèi)容簡介】 每種 PLC 都有與主機(jī)相配的擴(kuò)展模塊，用來擴(kuò)展輸入、輸出 點(diǎn)數(shù)，以便根據(jù)控制要求靈活組合系統(tǒng)。 PLC 擴(kuò)展模塊內(nèi)不設(shè) CPU，僅對(duì) I/O 通道進(jìn)行擴(kuò)展，不能脫離主機(jī)獨(dú)立實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的控制要求。 無錫科技職業(yè)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 基于 PLC 的步進(jìn)電機(jī)的控制 7 外部設(shè)備 外部設(shè)備包括編程器、盒式磁帶機(jī)、打印機(jī)、 EPROM 寫入器、圖形監(jiān)控系統(tǒng)等。其中編程器是 PLC 必不可少的重要外圍設(shè)備，由鍵盤、顯示器、工作方式選擇開關(guān)和外存儲(chǔ)器接插口等部件組成，主要用于對(duì)用戶程序進(jìn)行輸入、檢查、調(diào)試和修改，并用來監(jiān)視 PLC 的工作狀態(tài)。 編程器有簡易型和智能型兩類。簡易型編程器只能聯(lián)機(jī)編程，且需將梯形圖轉(zhuǎn)化為助記符后才能送入。智能型編程器又稱圖形 編程器，它既可聯(lián)機(jī)編程，又可脫機(jī)編程，具有圖形顯示功能，可直接輸入梯形圖和通過屏幕對(duì)話，但價(jià)格較貴?，F(xiàn)在也可在個(gè)人計(jì)算機(jī)上填加適當(dāng)?shù)挠布涌?，利用生產(chǎn)廠家提供的編程軟件包就可將計(jì)算機(jī)作為編程器使用，而且還可以在計(jì)算機(jī)上實(shí)現(xiàn)模擬調(diào)試。 PLC 與打印機(jī)相連可將過程信息，系統(tǒng)參數(shù)等輸出打印。當(dāng)與監(jiān)視器相連時(shí)可將控制過程圖象顯示出來。當(dāng) PLC 與 PLC 相連時(shí)，可組成多機(jī)系統(tǒng)或連成網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)更大規(guī)模控制。當(dāng) PLC 與計(jì)算機(jī)相連時(shí)，可組成多級(jí)控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)控制與管理相結(jié)合的綜合系統(tǒng)。 高速脈沖輸出功能 脈沖輸出（ PLS）指令功能為：使能有效時(shí)，檢查用于脈沖輸出（ 或 ）的特殊存儲(chǔ)器位（ SM），然后執(zhí)行特殊存儲(chǔ)器位定義的脈沖操作。指令格式如表21 所示。 表 21 脈沖輸出（ PLS）指令格式 用于脈沖輸出（ 或 ）的特殊存儲(chǔ)器 （ 1）控制字節(jié)和參數(shù)的特殊存儲(chǔ)器 每個(gè) PTO/PWM 發(fā)生器都有：一個(gè)控制字節(jié)（ 8 位）、一個(gè)脈沖計(jì)數(shù)值（無符號(hào)的 32 位數(shù)值）和一個(gè)周期時(shí)間和脈寬值（無符號(hào)的 16 位數(shù)值 ）。這些值都放在特定的特殊存儲(chǔ)區(qū)（ SM），如表 4 所示。執(zhí)行 PLS 指令時(shí)， S7200 讀這些特殊存LAD STL 操作數(shù)及數(shù)據(jù)類型 PLS Q Q：常量（ 0 或 1） 數(shù)據(jù)類型 字 無錫科技職業(yè)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 基于 PLC 的步進(jìn)電機(jī)的控制 8 儲(chǔ)器位（ SM），然后執(zhí)行特殊存儲(chǔ)器位定義的脈沖操作，即對(duì)相應(yīng)的 PTO/PWM發(fā)生器進(jìn)行編程。 表 22 脈沖輸出（ 或 ）的特殊存儲(chǔ)器 和 對(duì) PTO/PWM 輸出的控制字節(jié) 說明 PTO/PWM 刷新周期值 0 ：不刷新； 1 ：刷新 PWM 刷新脈沖寬度值 0 ：不刷新； 1：刷新 PTO 刷新脈沖計(jì)數(shù)值 0 ：不刷新； 1：刷新 PTO/PWM 時(shí)基選擇 0 ： 1 181。s； 1： 1ms PWM 更新方法 0 ：異步更新； 1：同步更新 PTO 操作 0 ：單段操作； 1：多段操作 PTO/PWM 模式選擇 0 ：選擇 PTO 1 ： 選擇 PWM PTO/PWM 允許 0：禁止； 1 ：允許 和 對(duì) PTO/PWM 輸出的周期值 說明 SMW68 SMW78 PTO/PWM 周期時(shí)間值（范圍： 2 至 65 535） 和 對(duì) PTO/PWM 輸出的脈寬值 說明 SMW70 SMW80 PWM 脈沖寬度值（范圍： 0 至 65 535） 和 對(duì) PTO 脈沖輸出的計(jì)數(shù)值 說明 SMD72 SMD82 PTO 脈沖計(jì)數(shù)值（范圍： 1 至 4 294 967 295） 和 對(duì) PTO 脈沖輸出的多段操作 說明 SMB166 SMB176 段號(hào)（僅用于多段 PTO 操作），多段流水線 PTO 運(yùn)行中的段的編號(hào) SMW168 SMW178 包絡(luò)表起始位置，用距離 V0 的字節(jié)偏移量表示（僅用于多段 PTO 操作） 和 的狀態(tài)位 無錫科技職業(yè)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 基于 PLC 的步進(jìn)電機(jī)的控制 9 說明 PTO 包絡(luò)由于增量計(jì)算錯(cuò)誤異常終止 0 ：無錯(cuò)； 1 ： 異常終止 PTO 包絡(luò)由于用戶命令異常終止 0 ： 無 錯(cuò)； 1 ：異常終止 PTO 流水線溢出 0 ：無溢出； 1 ： 溢出 PTO 空閑 0 ：運(yùn)行中； 1 ： PTO 空閑 通過修改脈沖輸出（ 或 ）的特殊存儲(chǔ)器 SM 區(qū)（包括控制字節(jié)），既更改 PTO 或 PWM 的輸出波形，然后再執(zhí)行 PLS 指令。 注意：所有控制位、周期、脈沖寬度和脈沖計(jì)數(shù)值的默認(rèn)值均為零。向控制字節(jié)（ 或 ）的 PTO/PWM 允許位寫入零，然后執(zhí)行 PLS 指令，將禁止 PTO 或 PWM 波形的生成。 （ 2）狀態(tài)字節(jié)的特殊存儲(chǔ)器 除了控制信息外，還有用于 PTO 功能的狀態(tài)位，如表 2 所示。程序運(yùn)行時(shí)，根據(jù)運(yùn)行狀態(tài)使某些位自動(dòng)置位?？梢酝ㄟ^程序來讀取相關(guān)位的狀態(tài)，用此狀態(tài)作為判斷條件，實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的操作。 PTO 的使用 PTO 是可以指定脈沖數(shù)和周期的占空比為 50%的高速脈沖串的輸出。狀態(tài)字節(jié)中的最高位（空閑位）用來指示脈沖串輸出是否完成?？稍诿}沖串完成時(shí)起動(dòng)中斷程序，若使用多段操作，則在包絡(luò)表完成時(shí)起動(dòng)中斷程序。 （ 1）周期和脈沖數(shù) 周期范圍從 50 微秒至 65,535 微秒或從 2 毫秒至 65,535 毫秒，為 16 位無符號(hào)數(shù)，時(shí)基有μ s 和 ms 兩種，通過控制字節(jié)的第三位選擇。注意： 如果周期 2 個(gè)時(shí)間單位，則周期的默認(rèn)值為 2 個(gè)時(shí)間單位。 周期設(shè)定奇數(shù)微秒或毫秒（例如 75 毫秒），會(huì)引起波形失真。 脈沖計(jì)數(shù)范圍從 1 至 4,294,967,295，為 32 位無符號(hào)數(shù)，如設(shè)定脈沖計(jì)數(shù)為 0，則系統(tǒng)默認(rèn)脈沖計(jì)數(shù)值為 1。 無錫科技職業(yè)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 基于 PLC 的步進(jìn)電機(jī)的控制 10 （ 2） PTO 的種類及特點(diǎn) PTO 功能可輸出多個(gè)脈沖串，現(xiàn)用脈沖串輸出完成時(shí)，新的脈沖串輸出立即開始。這樣就保證了輸出脈沖串 的連續(xù)性。 PTO 功能允許多個(gè)脈沖串排隊(duì)，從而形成流水線。流水線分為兩種：單段流水線和多段流水線。 單段流水線是指：流水線中每次只能存儲(chǔ)一個(gè)脈沖串的控制參數(shù)，初始 PTO段一旦起動(dòng)，必須按照對(duì)第二個(gè)波形的要求立即刷新 SM，并再次執(zhí)行 PLS 指令，第一個(gè)脈沖串完成，第二個(gè)波形輸出立即開始，重復(fù)此這一步驟可以實(shí)現(xiàn)多個(gè)脈沖串的輸出。 單段流水線中的各段脈沖串可以采用不同的時(shí)間基準(zhǔn)，但有可能造脈沖串之間的不平穩(wěn)過渡。輸出多個(gè)高速脈沖時(shí)，編程復(fù)雜。 PLC 的選擇 選擇西門子 S7200 CPU224 的 PLC。 CPU224 本機(jī)集成了： (1) 14 輸入 /10 輸出，共 24 個(gè)數(shù)字量 I/O 點(diǎn)； (2) 可連接 7 個(gè)擴(kuò)展模塊，最大可擴(kuò)展至 168 路數(shù)字量 I/O 點(diǎn)或 35 路模擬量 I/O 點(diǎn)； （ 3 ) 13KB 程序和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)空間； （ 4） 6 個(gè)獨(dú)立的 30kHZ 高速計(jì)數(shù)器， 2 路獨(dú)立的 20kHZ 高速脈沖輸出； (5) 具有 PID 控制器； (6) 1 個(gè) RS485 通信 /編程口； (7) 具有 PPI 通信協(xié)議； (8) 具有 MPI 通信協(xié)議； (9) 具有自由方式通信能力； (10) I/O 端子排可很容易地整體拆卸。 工作方式 S7200 有 3 種工作方式： RUN(運(yùn)行 ) 、 STOP(停止 ) 、 TERM(terminal ,終端 ) 工作方式，可通過安裝在 PLC 上的方式選擇開關(guān)進(jìn)行切換。 無錫科技職業(yè)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 基于 PLC 的步進(jìn)電機(jī)的控制 11 (1) RUN 方式：在 RUN 方式下， CPU 執(zhí)行用戶程序。 (2) STOP 方式：在 STOP 方式下，不能運(yùn)行用戶程序，可以向 CPU 裝載用戶程序或進(jìn)行 CPU 設(shè)置。 (3) TERM 方式：在 TERM 方式下，允許使用工業(yè)編程軟件 STEP 7Micro/WIN32 來控制 CPU 的工作方式。 (4) 當(dāng)電源斷電又恢復(fù)后，如果方式選擇開關(guān)在 TERM 或 STOP 狀態(tài)下，CPU 自動(dòng)進(jìn)入 STOP 方式；如果方式選擇開關(guān)在 RUN 狀態(tài)下，則 CPU 自動(dòng)進(jìn)入RUN 方式。 掃描周期 在 RUN 方式下，系統(tǒng)周期性地循環(huán)執(zhí)行用戶程序。 PLC 在每次掃描工作過程中除了執(zhí)行用戶程序外，還要完成內(nèi)部處理、通信服務(wù)等工作。整個(gè)掃描過程包括內(nèi)部處理、通信服務(wù)、輸入采樣、程序執(zhí)行、輸出刷新 5 個(gè)階段。整個(gè)過程掃描執(zhí)行一遍所需的時(shí)間稱為掃描周期。即全部輸入輸出狀態(tài)的改變，需要一個(gè)掃描周期。 性能簡介及特點(diǎn) S7200 PLC 是德國西門子公司生產(chǎn)的一種超小型系列可編程器，它能夠滿足多種自動(dòng)化控制的需求，其設(shè)計(jì)緊湊，價(jià)格低廉，并且具有良好的可擴(kuò)展性以及強(qiáng)大的指令功能，可代替繼電器用于簡單控制場合，也可用于復(fù)雜的自動(dòng)化控制系統(tǒng)。 S7200 系列主要有以下幾個(gè)方面的特點(diǎn)： (1)極高的可靠性； (2)易于掌握； (3)極其豐富的指令集； (4)便捷的操作特性； (5)實(shí)時(shí)特性； (6)豐富的內(nèi)置集成功能； (7)強(qiáng)大的通信能力； (8)豐富的擴(kuò)展模塊。 附：見圖 無錫科技職業(yè)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 基于 PLC 的步進(jìn)電機(jī)的控制 12 圖 21 S7200CPU224PLC 的結(jié)構(gòu)圖 PLC 技術(shù)在步進(jìn)電機(jī)控制中的應(yīng)用 隨著微電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，可編程序控制器有了突飛猛進(jìn)的發(fā)展，其功能已遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了邏輯控制、順序控制的范圍。繼續(xù)沿著小型化的方向發(fā)展。隨著電動(dòng)機(jī)本身應(yīng)用領(lǐng)域的拓寬以及各類整機(jī)的不斷小型化，要求與之配套的電動(dòng)機(jī)也必須越來越小。對(duì)電動(dòng)機(jī)進(jìn)行綜合設(shè)計(jì)。即把轉(zhuǎn)子位置傳感器，減速齒輪等和電動(dòng)機(jī)本體綜合設(shè)計(jì)在一起，這樣使其能方便地組成一個(gè)閉環(huán)系統(tǒng)，因而具有更加優(yōu)越的控制性。向五相和三相電動(dòng)機(jī)方向發(fā)展，目前廣泛應(yīng)用的二相和四相電 動(dòng)機(jī)，其振動(dòng)和噪聲較大，而五相和三相電動(dòng)機(jī)具有優(yōu)勢性。而就這兩種電動(dòng)機(jī)而言，五相電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)電路比三相電動(dòng)機(jī)復(fù)雜，因此三相電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)的性能價(jià)格比要比五相電動(dòng)機(jī)更好一些。 目前利用可編程序控制器（ PLC）可以方便地實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)速度和位置的控制，方便地進(jìn)行各種步進(jìn)電機(jī)的操作，完成各種復(fù)雜的工作，它代表了先進(jìn)的工業(yè)自動(dòng)化革命，加速了機(jī)電一體化的實(shí)現(xiàn)。 用 PLC 對(duì)步進(jìn)電機(jī)也具有良好的控制能力，利用其高速脈沖輸出功能或運(yùn)動(dòng)控制功能，現(xiàn)對(duì)步進(jìn)電機(jī)的控制。 步進(jìn)電機(jī)是一種將電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換成直線位移或角位移的執(zhí)行元件，每當(dāng)對(duì)其施加一個(gè)電脈沖時(shí)，其輸出軸便轉(zhuǎn)過一個(gè)固定的角度。步進(jìn)電機(jī)的輸出位移量與輸入脈沖個(gè)數(shù)成正比，其轉(zhuǎn)速與單位時(shí)間內(nèi)輸入的脈沖數(shù) (即脈沖頻率 )成正比，其轉(zhuǎn)向與脈沖分配到步進(jìn)電機(jī)的各相繞組的相序有關(guān)。所以只要控制指令脈沖的無錫科技職業(yè)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 基于 PLC 的步進(jìn)電機(jī)的控制 13 數(shù)量、頻率及電機(jī)繞組通電的相序，便可控制步進(jìn)電機(jī)的輸出位移量、速度和轉(zhuǎn)向。 PLC 直接控制步進(jìn)電機(jī)系統(tǒng)由 PLC 和步進(jìn)電機(jī)組成， PLC 具有實(shí)時(shí)刷新技術(shù)，輸出信號(hào)的頻率可以達(dá)到數(shù)千赫茲或更高，使得脈沖分配能有很高的分配速度，充分利用步進(jìn)電機(jī)的速度響應(yīng)能力，提高整個(gè)系統(tǒng)的快速性。并且， PLC 有采用大功率晶 體管的輸出端口，能夠滿足步進(jìn)電機(jī)各相繞組數(shù) 10V 級(jí)脈沖電壓、 1A級(jí)脈沖電流的驅(qū)動(dòng)要求。 無錫科技職業(yè)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 基于 PLC 的步進(jìn)電機(jī)的控制 14 第三章 步進(jìn)電機(jī) 步進(jìn)電機(jī)是一種將脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換成直線位移或角位移的執(zhí)行元件。步進(jìn)電機(jī)的輸出位移量與輸人脈沖個(gè)數(shù)成正比，其速度與單位時(shí)間內(nèi)輸人的脈沖數(shù) (即脈沖頻率 )成正比，其轉(zhuǎn)向與脈沖分配到步進(jìn)電機(jī)的各相繞組的相序有關(guān)。 步進(jìn)電機(jī)的特點(diǎn) 步進(jìn)電機(jī)的特點(diǎn)如下： 1）電動(dòng)機(jī)輸出軸的角位移與輸入脈沖數(shù)成正比；轉(zhuǎn)速與脈沖頻率成正比；轉(zhuǎn)向與通電相序有關(guān)。當(dāng)它轉(zhuǎn)一周后，沒有累積誤差，具有良 好的跟隨性。 2）由步進(jìn)電動(dòng)機(jī)與驅(qū)動(dòng)電路組成的開環(huán)數(shù)控系統(tǒng)，既非常簡單、廉價(jià)又非?？煽俊Ｍ瑫r(shí)，它也可以與角度反饋環(huán)節(jié)組成高性能的閉環(huán)數(shù)控系統(tǒng)。 3）步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)快，易于起停、正反轉(zhuǎn)及變速。 4）步進(jìn)電動(dòng)機(jī)存在振蕩和失步現(xiàn)象，必須對(duì)控制系統(tǒng)和機(jī)械負(fù)載采取相應(yīng)的措施。 5）步進(jìn)電動(dòng)機(jī)自身的噪聲和振動(dòng)較大，帶慣性負(fù)載的能力較差。 6）速度可在相當(dāng)寬的范圍內(nèi)平滑調(diào)節(jié)，低速下仍能保證獲得大轉(zhuǎn)矩。 7）步進(jìn)電機(jī)只能通過脈沖電源供電才能運(yùn)行，它不能直接使用交流電源以及直流電源 [2]。 8）一般步進(jìn)電機(jī)的精度為步進(jìn) 角的 35%，且不累積。 9）步進(jìn)電機(jī)外表允