西门子S7-200驱动步进电机的使用心得

1. 项目简介

某公司有多台薄膜卷绕机需要进行自动化控制改造。
原设备采用机械式计数，卷绕动力采用离合器传动，元件卷绕的起动、停止、圈数控制等均由人工操作控制，因此存在产品参数离散性大、产品质量与生产效率因人而异等不足之处。
工艺要求简述：由于卷制材料是10几微米的薄膜，要求卷轴平稳起动，均匀加速，以使用张力平稳；中间在某些位置需要停顿，作一些必要的处理，再继续卷绕；和起动一样，停顿或停止时，必须均匀减速，保持张力平稳；要求最后圈数准确。

2. 控制系统构成

很自然地想到S7-200PLC应该能够实现项目要求的控制功能。
S7-200CPU本体已含有高速脉冲输出功能，普通型号的CPU脉冲输出频率达20KHz，而224XP（CN）更是高达100kHz，可以用来驱动步进电机或伺服电机，再由电机直接驱动卷绕主轴旋转，完成工艺所要求的动作。
步进电机在成本上具有优势，但是步进电机的运转平稳性不如伺服电机，而两者的定位精度（圈数）的控制，在本工艺里都可以达到要求。我们考虑先试用步进电机的方案。
步进电机的驱动，实际上是由相应的步进电机驱动器负责的，所以步进电机的相数齿数等等问题由相应的驱动器解决，选择步进电机要考虑的主要是体积、转矩、转速等，不是本文的重点；
PLC向驱动器送的仅为代表速度与位置的脉冲，这里要考虑的是步进电机在规定的转速下是否足够平稳，是否适合作为薄膜卷绕的动力。
我们作了一个模型机进行试验，采用细分型的驱动器，在50齿的电机上达到10000步/转，经17：25齿的同步带减速传动（同时电机的振动也可衰减），结果运转很平稳，粗步确定可以达到工艺要求。于是正式试制一台，也获得成功，性能达到工艺要求，目前已经按此方案批量进行改造。
CPU选择224XPCN DC/DC/DC，系统构成如下：
224XP*1、步进电机*2、细分型驱动器*2、TD200*1、LED显示屏*1、编码器*1。

2. PTO0（Q0.0）输出一路高速脉冲，负责驱动卷绕主轴的旋转；
2. PTO1（Q0.1）输出一路高速脉冲，负责驱动主轴的水平直线移动；
2. 一个正交增量型编码器装在主轴上，作为卷绕圈数的反馈；
2. TD200作为人机界面，用于设定参数
2. 一个LED显示屏用于显示实时的卷绕圈数。在实际生产中，工人需要时时参考卷绕的进度，LED显示比LCD醒目，所以这里放置了一个自制的LED显示屏。LED屏和PLC的连接方式，可参考本人在2003年的专家论文集中的文章。


3. 控制系统完成的功能
   3. 控制系统首先要实现的功能，是卷绕的平稳起动、加速、减速、平稳停止。在新版的S7-200中，支持高速输出口PTO0/PTO1的线性加/减速，通过MicroWin的向导程序，非常容易实现。实际上，以目前的情况，线性加减速只能使用向导生成的程序，Siemens没有公开独立可使用的指令。
   3. 使用位置控制向导生成以下四个子程序（仅限CPU内的PTO，不包括专用模块的情况），以PTO0为例：
      1. PTO0_CTRL：每周期调用一次，可以控制PTO0的行为；
      2. PTO0_MAN：可以控制PTO0以某一频率输出脉冲，并且可以通过程序随时中止（减速或立即中止）；
      3. PTO0_RUN：运行(在向导中生的)包络，以预定的速度输出确定个数的脉冲，也可以通过程序随时时中止（减速或立即中止）。
      4. PTO0_LDPOS：装载位置用，本例使用相对位置，所以不必装载。

本例的工艺要求，输出脉冲数可变（圈数可设定），又要在工艺允许的情况下尽可能地按指定的速度运行，也要随时能够减速停止，包括人工手动的停车要求。直接使用PTO0_MAN和PTO0_RUN都无法直接满足要求，以下来研究配合辅助手段如何实现。

3. 精确的位置（圈数）控制
   1. PTO0_RUN + 中断

卷绕定位与圈数控制，达到0.1圈以内的精度即可，以10000步/转的细分驱动器，0.1圈相当于1000脉冲。
假使PTO正以最高100kHz速度输出脉冲，以1ms的时间响应中断，脉冲的误差约为100个，所以从理论上说，中断方式把脉冲误差控制在1000个以下完全可以。
如何实现？我们来看下面一个PTO0_MAN指令执行的示意图：
  
有恒速阶段
  
无恒速阶段 
当PTO0_MAN指令RUN=1允许脉冲输出时，脉冲序列从最低速（起始速度，本例设为100p/s，很小，可以认为0）线性加速，加到指定速度speed后保持匀速，当收到减速停止RUN=0命令时，线性减速，至最低速后停止。
所以，我们只要在脉冲输出前计算出停止指令执行的位置，并在此位置设置中断以便执行减速停止指令，就可保证输出的序列脉冲个数在要求的误差范围内。
计算过程：
本例加速和减速的斜率是相同的，比较简单，如果两个斜率不同，计算稍麻烦一点，原理差不多。

1. 用向导生成一个最高速单速包络，从生成的PTO0_DATA中找出加速和减速脉冲数（可以参考3.3.2节的描述），如果加减速斜率相同，这两个数应该是一样的，由于计算精度的关系，差几个脉冲也属正常。这个数据在程序中可以作为常数使用。
2. 如果目标脉冲数大于加速和减速脉冲数之和，表示脉冲输出可以加速到最高速，有恒速阶段，那么中断位置=目标脉冲数-减速脉冲数；
3. 如果目标脉冲数不大于加速和减速脉冲数之和，无恒速阶段，包络变成一个等腰三角形（两边斜率相同的情况），那么中断位置=目标脉冲数/2。
4. 更进一步，水平恒速的速度可变，就象本案的情况，卷绕速度是可设定的，而且这个速度受机械/电机最高限速、薄膜最高线速的限制，取三者中的最小值，然后才能确定加速到该速度所需的脉冲数，通过简单的数学计算即可获得。
5. PTO0_RUN + 修改包络参数

用向导生成一个单一速度包络，我们来研究自动生成的包络数据结构：
PTO0_DATA
//----------------------------------------------------------------
//输出 Q0.0 的 PTO 包络表
//----------------------------------------------------------------
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                           //包络 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                       //加速的脉冲数

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