S7—200PLC的PTO在步进电机位置控制中的应用

刘云龙

摘 要：研究了高速脉冲串输出在步进电机位置控制中的应用，包括应用PLS指令、MAP指令库及位置控制指令向导等方法。给出了系统构成，说明了各种方法的应用。对步进电机的位置控制有实际意义。

关键词：S7-200；步进电机；位置控制；PTO；MAP；PLS

引言

作为自动控制系统中的执行元件，步进电机的应用十分广泛，主要原因是步进电机有很多优点，其中它的控制方法比较简单。步进电机的转速、停止的位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲个数。可以通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度，进行调速；可以通过控制脉冲个数来控制角位移量，进行准确定位。

控制步进电机的方法较多，目前流行的是采用PLC通过步进电机驱动器来控制步进电机。为了配合步进电机的控制，许多PLC都内置脉冲输出功能，并设置了相应的控制指令，可以很好地对步进电机进行控制。

为了实现对步进电机的开环定位控制，可以通过PLC控制输出脉冲来实现。本文应用SIEMENS公司S7-200PLC来控制步进电机。SIEMENS公司S7-200PLC主要提供了以下几种方式的开环定位控制：脉冲串输出（PTO）、EM253位控模块、自由口通信等。文章主要探讨PTO这种方式。

1 步进电机位置控制系统

1.1 硬件系统

步进电机位置控制系统由PLC、步进电机驱动器、步进电机和丝杠组成。

系统选择的PLC为SIEMENS公司CPU226DC/DC/DC型。

選用的步进电机是42H2P4812A4的两相混合式步进电机，该型号的步进电机步矩角为1.8°，相电流1.2A，静转矩4.5kg·cm，额定转速400rmp。

选用的驱动器型号为2MA320，该驱动器的供电电压DC12-36V ，驱动电流0.3-2.0A，细分精度1-128细分，可驱动任何2.0A相电流以下两相、四相混合式步进电机。

由于上述步进电机的相电流为1.2A，驱动器的SW1-SW3分别设置为：ON、OFF、OFF，即输出峰值电流为1.5A，SW5-SW7分别设置为ON、ON、ON，即细分设定为200步/圈。

1.2 控制要求

如图1所示，要求控制丝杠从A点加速到B点后恒速运行，又从C点开始减速到D点，B点到C点间恒速运行，A、D点的脉冲频率为2kHz，B、C点的脉冲频率为5kHz。AB点之间脉冲数为300个，BC点之间脉冲为4000个，CD点之间脉冲为150个。

2 程序设计

SIEMENS公司S7-200PLC可提供2个内置高速脉冲发生器，有脉冲串输出（PTO）和宽度可调脉冲输出（PWM）两种方式。PTO可以输出一串脉冲（占空比50%），用户可控制脉冲周期和个数，用于步进电机的位置控制。

对S7-200PLC的PTO编程有3种实现方法。第一种方法是通过PLS指令编程。第二种方法是通过编程软件STEP7-MicroWIN提供的位置控制指令向导进行配置。第三种方法是采用西门子公司提供的脉冲输出指令库MAP。以下分别对这三种方法进行说明。

2.1 PLS指令编程

根据控制系统要求，首先确定脉冲发生器及工作方式。要求PLC输出多串脉冲，因此用PTO的多段管线方式。选择Q0.0，确定PTO为3段脉冲管线（AB、BC、CD段）。

设置控制字节。将16#A0写入SMB67。

写入周期值、周期增量值和脉冲数。建立包络表。

装入包络表首地址。将包络表起始变量V地址装入SMW168中。

中断调用。中断事件号为19。

执行PLS指令。

经过以上设置并执行指令后，就可用PLS指令启动多段脉冲串，并由Q0.0输出。

2.2 PTO位置控制向导

西门子PLC的组态软件STEP7-MicroWIN提供了位置控制向导可以帮助我们完成PTO组态。该向导可以生成位控指令，用这些指令在应用程序中对位置进行控制。

使用STEP7-MicroWIN位置控制向导，在位置控制向导对话框中选择“配置S7-200 PLC内置PTO/PWM操作”，按以下步骤操作[1]：

（1）指定一个脉冲发生器：选择Q0.0。（2）选择PTO。（3）指定电机速度：电机最高速度（MAX_SPEED）设为5000，电机启动/停止速度（SS_SPEED）为100。（4）设置加速和减速时间：加速时间设为1000ms，减速时间设为500ms。（5）配置位置轮廓：绘制电机运动包络。（6）启动轮廓数据的V内存地址：VB70-VB139。（7）生成项目代码：主要包括子程序PTO0_CTRL、PTO0_RUN、PTO0_MAN等。编程调用PTO0_CTRL子程序（控制）使能和初始化用于步进电机的PTO输出；调用PTO0_RUN子程序（运行包络）命令PLC在一个指定的包络中执行运动操作，此包络存储在组态/包络表中。如图2所示。

2.3 MAP库

西门子公司为S7-200系列PLC本体PTO提供了应用库MAP SERV Q0.0和MAP SERV Q0.1，这两个库的功能完全相同，分别用于Q0.0和Q0.1的脉冲串输出，实现位置控制。从西门子公司网站上下载这两个文件的压缩包SERVMAP.ZIP，解压后就可以在STEP7-MicroWIN中添加库文件。

MAP库包括了9个功能块。应用MAP库时，一些输入/输出点被预先定义。为了使用MAP库，必须为该库分配68字节的全局变量[2]。

应用MAP库编程实现控制要求，程序如图3所示，主要应用了Q0_x_CTRL和Q0_x_MoveAbsolute这两个功能块。

2.4 PTO三种编程方法的比较

上文介绍了S7-200PLC的高速脉冲串输出的三种编程方法，为了更好的使用这些方法，我们对这些方法作一比较。PLS指令编程的方法，需要熟练掌握PTO的编程指令，可以完成较复杂的控制要求。PTO指令向导编程，由于是通过软件向导，操作简单，但受制于向导，不能完成太复杂的控制需求。MAP库编程，编写程序时可以调用库的功能块，辅以数据处理可以实现复杂的位置控制。

3 结束语

应用S7-200PLC对步进电机进行位置控制，可以应用PLC的PTO。在编程方法上，有应用PLS指令、MAP指令库及位置控制指令向导3种方法。在实际应用中，应灵活使用这些方法，提高位置控制系统的精度。

参考文献

[1]王永华.现代电气控制及PLC应用技术[M].北京：北京航空航天大学出版社，2008.

[2]How do you position a servo drive axis using the S7-200 pulse interface？[EB/OL].http：//support.automation.siemens.com/WW/view/en/26513850

[3]S7-200PLC脉冲输出MAP库文件的使用手册[Z].西门子（中国）有限公司，2011.

[4]孙建东，蒋兴加.西门子200系列PLC脉冲串输出指令的研究与实践[J].天津职业院校联合学报，2010，12（2）：61-63.

[5]郭志冬.基于西门子S7-200PLC的步进电机控制[J].新乡学院学报（自然科学版），2012，29（4）：360-361.