西门子S7-200 SMART PLC原理及应用教程课件第八章

8.1.1 高速脉冲输出指令
S7-200 SMART PLC配有2～3个PWM发生器，它们可以产生一个脉冲调制波 形。一个发生器输出点是QO.O，另外两个发生器输出点是QO.1和Q0.3。当QO.O 、QO.1和Q0.3作为高速输出点时，其普通输出点被禁用，而当不作为PWM发生 器时，QO.O.QO．1和Q0.3可作为普通输出点使用。经济型的S7-200 SMART PLC 并没有高速输出点，标准型的S7-200 SMART PLC才有高速输出点，目前典型的 两个型号是CPU ST40和CPU ST600 CPU ST20只有两个高速输出通道，即QO.O和 QO.1。
行。如图8-10。
图8-10 单三拍工作过程
当A相通电，B、C相不通电时，由于磁通具有走磁阻最 小路径的特点，转子齿1和3的轴线与定子A极轴线对齐。同 理断开A接通B时、断开B接通C时转子转过30º。按A-B-CA……接通和断开控制绕组转子连续转动。转速取决于控制 绕组通、断电的频率，转向取决于通电的顺序。 2.三相六拍运行。
PUL DIR+ DIR-
脉冲信号（-）输入 ENABLE-
方向电平信号(+)输 入
VAC
方向电平信号（-） 输入
A+、A-、B+、B-
使能信号（-）输入
驱动器的电源接口 步进电机A相、B相接 口
注意：一般步进驱动器默认的信号电压为5V，我们的PLC的 使用电压一般为24V，如果直接接入步进驱动器会烧坏驱动器， 所以需要外接一个电阻来分压，一般为2kQ，具体参照说明书。
式中f为控制脉冲的频率；转速取决于脉 冲频率、转子齿数和拍数，与电压、负载、 温度等因素无关。
(4)步进电动机具有自锁能力。当控制电 脉冲停止输入，让最后一个脉冲控制的绕组 继续通直流电时，电动机保持在最后一个脉 冲控制的角位移的终点位置。步进电动机可 以实现停车时转子定位。
S7-200 SMART PLC与步进电机的连接
图8-7 完成向导（1）
图8-8 完成向导（2）
6.编写梯形图 在梯形图如图8-9所示。其
功能与图8-2的梯形图完全一样， 但相比而言此梯形图更加简洁， 也更加容易编写。
图8-9 梯形图
第二节 S7-200 SMART PLC 的步进系统
步进电机简介 步进电动机（脉冲电动机）是将脉冲电信号变换为相应的角位移或直线位移的电动 机，即给一个脉冲电信号，电动机就转动一个角度或前进一步，角位移与脉冲数成 正比，转速与脉冲频率成正比，转向与各相绕组的通电方式有关。 步进系统的特点：在负载能力范围内不因电源电压、负载大小、环境条件的波动 而变化；适用于开环系统中作执行元件，使控制系统大为简化；步进电动机可在很 宽的范围内通过改变脉冲频率调速；能够快速启动、反转和制动；很适合微型机控 制，是数字控制系统中的一种执行元件。 主要应用在数控机床、绘图机、 轧钢 机、记录仪等方面。 对步进系统基本的控制要求是： 1.台邑迅速启动、正／反转、停转，在很宽的范围内调速。 2.要求一个脉冲对应的位移量小，步距小，精度高，不得丢步或越步。(3)输出转 矩大，直接带负载。 步进电机按励磁方式，分为反应式、永磁式和感应子式。反应式步进电动机适习 范围广，结构简单。
脉冲输出指令(PLS)配合特殊存储器用于配置高速输出功能，PLS指令格式 见表8-1。 PWM提供三条通道，这些通道允许占空比可变的固定周期时间输出，如图8-1所 示，PLS指令可以指定周期时间和脉冲宽度。以μs或ms为单位指定脉冲宽度和 周期。
8.1.1 高速脉冲输出指令
表8-1 块传送指令
指令名称 梯 形 图 功能说明
1.打开指令向导 单击菜单栏的“工具”→ “PWM”，如图8-4所示，弹出如图84所示的界面。
图8-3 打开PWM指令向导
2.选择输出点 CPU ST40有三个高速输出点，本例选择 QO.O输出，也就是勾选“PWMO”选项，同理 如果要选择QO.1输出，则应勾选“PWMl”选 项，单击“下一步”按钮，如图8-4所示。
PLS指令
Q0.X:脉冲输出范围，为0时Q0.0输 出，为1时Q0.1输出，为3时Q0.2输 出
图8-1 脉冲串输出
PWM的周期范围为10～65535μs或者2～65535ms,PWM的脉冲 宽度时间范围为10～65535μs或者2～65535ms。
8.1.2 与PWM相关的特殊寄存器的含义
如果要装入新的脉冲宽度（SMW70或SMW80）和周期（SMW68或SMW78），应该在执行PLS指令前 装入这些值和控制寄存器，然后PLS指令会从特殊存储器SM中读取数据，并按照存储数值控制 PWM发生器。这些特殊寄存器分为三大类：PWM功能状态字、PWM功能控制字和PWM功能寄存器。 这些寄存器的含义见表8-2。
图8-12 步进电机驱动原理图
(2)步距角为每输入一个脉冲电信号转子转过的 角度，用θb表示。当电动机按三相单三拍运行A-BC-A……顺序通电时，换接一次绕组，转子转过的 角度为1/3齿距角；转子需要走3步，才转过一个齿 距角。当按三相六拍运行A-AB-B-BC-C-CA-A……顺 序通电时，换接一次绕组，转子转过的角度为1/6 齿距角；转子需要68步才转过一个齿距角。齿距角 为转子相邻两齿间的夹角，用θt表示。
3.三相双三拍运行。通电方式为AB-BC-CA-AB……转过30º。 4.基本特点 (1)步进电动机工作时，每相绕组由专门驱动电源通过“环形分配器”按一 定规律轮流通电，如三相双三拍运行的环形分配器输入是一路，输出有A、 B、C三路。若开始是A、B两路有电压，输入一个控制脉冲后就变成B、C两 路有电压，再输入一个脉冲后变成C、A两路有电压，再输入一个电脉冲后 变成A、B两路有电压。环形分配器输出的各路脉冲电压信号，经过各自的 放大器放大后送入步进电动机的各相绕组，使步进电动机一步步转动。如 图8-12所示。
步进电机工作原理
反应式步进电动机是利用磁阻转矩而转动的。以三相反应式步进g 机为例：定子6极不带小齿，每两个相对的极上绕有了控制绕组；转 子有4个齿，齿宽等于定子的极靴宽。
1.三相单三拍运行。 三相是指步进电动机具有三相定子绕组；单是指每次只有一相绕
组通电；三拍是指三次 换接为一个循环，即按A-B-C-A……方式运行的称为三相单三拍运
供电方式是A-AB-B-BC-C-CA-A……共有6种通电状态， 每一个循环换接(次，这6种通电状态中有时只有一相绕 组通电(如A相)，即单拍，有时有两相绕组同时通电（如 A相和B相），即双拍，故称三相单双六拍。图8-11所示 为按这种方式对控制绕组供电时转子位置和磁通分布的 图形。
图8-11 单双六拍工作过程
0：禁止；
PWM周期时间值（范围：2～65 535）
1：允许
PWM脉冲宽度值（范围：0～65 535）
表8-3 PWM的常用控制字节参考
控制寄存器（十六进制 值）
启
用
16#80
是
16#81
是
16#82
是
16#83
是
16#88
是
16Байду номын сангаас89
是
16#8A
是
16#8B
是
时基 1μs/周期 1μs/周期 1μs/周期 1μs/周期 1ms/周期 1ms/周期 1ms/周期 1ms/周期
S7-200 SMART CPU提供两种方式的开环运动控制： 1．脉宽调制(PWM)：内置于CPU中，常用于电动机调速、调节输出电压或控制比例阀的开度。 2. 运动轴：内置于CPU中，常用于驱动步进和伺服系统进行定位控制。 CPU提供了最多三个数字量输出（QO.O、QO.1和Q0.3），这三个数字量输出可以通过PWM向导 组态为PWM输出，或者通过运动向导组态为运动控制输出。 当作为PWM操作组态输出时，输出的周期是固定的，脉宽或脉冲占空比可通过程序进行控制。 脉宽的变化可在应用中控制速度或位置。 运动轴提供了带有集成方向控制和禁用输出的单脉冲串输出。运动轴还包括可编程输入，允 许将CPU组态为包括自动参考点搜索在内的多种操作模式。运动轴为步进电动机或伺服电动 机的速度和位置开环控制提供了统一的解决方案。
表8-2 PWM的特殊存储器
Q0.1 SM67.0 SM67.1 SM67.2 SM67.3 SM67.4 SM67.5 SM67.6 SM67.7 SMW68 SMW70
Q0.2 SM77.0 SM77.1 SM77.2 SM77.3 SM77.4 SM77.5 SM77.6 SM77.7 SMW78 SMW80
随着步进电动机在各方面的广泛应用，步进电动机的驱动装置也从分立元件电路 发展到集成元件电路，目前已发展到系列化、模块化的步进电动机驱动器。这些对 于步进电动机控制系统的设计，不仅提供了模块化的选择，而且简化了设计过程， 提高了效率与系统运行能可靠性。
不同生产厂家的步进电动机驱动器虽然标准不统一，但其接口定义基本相同，只 要了解接口中接线端子、标准接口及拨动开关的定义和使用，即可利用驱动器构成 步进电动机控制
第8章 S7-200 SMART PLC运 动控制功能
第一节 PLC 的开环运动控制 第二节 PLC 的步进系统 第三节 变频器的控制
第一节 PLC 的开环运动控制
为了配合步进和伺服电动机的控制，西门子PLC内置了脉冲输出功能，并设置了相应的控
制指令，可以很好地对步进和伺服电动机进行控制。本节将重点讲解西门子S7-200 SMART PLC脉冲输出功能和步进电动机的控制，伺服电动机的控制与步进电动机的基本相同。
脉冲宽度
更新 更新
更新 更新
周期时间
更新 更新
更新
8.1.3 PLS高速输出指令举例
CPU ST40的QO.O输出一串脉冲， 周期为100ms，脉冲宽度时间为 20ms，要求有起停控制，梯形图如 图8-2所示。
图8-2 PWM脉冲输出梯形图
8.1.4 PWM向导使用举例
初学者往往对于控制字的理解比较 困难，但西门子公司设计了指令向导 功能，读者只要设置参数即可生成子 程序，使得程序的编写变得简单。以 下将介绍此方法。
图8-4 选择输出点
3.子程序命名如图8-5所示，可对子 程序命名，也可以使用默认的名称， 单击“下一步”按钮。
图8-5 子程序命名
4.选择时间基准 WM的时间基准有“毫秒”和“微妙”， 本例选择“毫秒”，如图8-6所示，单击 “下一步”按钮
图8-6 选择时间基准
5完成指令向导 如图8-7所示，单击“下一步” 按钮，弹出所示界面，单击“生 成”按钮，完成向导设置，生成 子程序“WMO_RUN”，读者可 以在“项目树”中的“调用子例 程”中找到。
Q0.3 SM567.0 SM567.1 SM567.2 SM567.3 SM567.4 SM567.5 SM567.6 SM567.7 SMW568 SMW570
PWM刷新周期值 0：不刷新；
1：刷新
PWM刷新脉冲宽度值
0：不刷新；
1：刷新
保留
PWM时基选择 保留
0：1ms； 1：1ms
保留
保留
PWM允许
系统。图8-13西门子S7-200 SMART PLC与步进驱动器的连接原理图。
图8-13 PLC与步进驱动器的连接
驱动器个接口的含义如表8-4所示，平时用到的小型比步进电机多为 两相，上图为四线接法。
表8-4 驱动器引脚
信号名
说明
信号名
说明
PUL+
脉冲信号(+)输入 ENABLE+
使能信号(+)输入
式中，ZR为转子齿数；N为运行拍数。 要提高工作精度就要求步距角很小。要想减小步距角可以增加拍数N，从而增加相数电源及 电机的结构也越复杂。反应式步进电动机一般做到六相，个别也有八相的或更多；一台步进 电动机有两个步距角，如1.5º/0.75º、1.2º/0.6 º、3º/1.5 º等。增加转子齿数ZR，步距角 也可减小，所以反应式步进电动机的转子齿数一般很多。通常反应式步进电动机的步距角为 零点几度到几度。 (3)步进电动机可按指令进行角度控制和速度控制。 1）角度控制。每输入一个脉冲，定子绕组就换接一次，输出轴转过一个角度，输出轴转动 的角位移量与输入脉冲数成正比。 2）速度控制。送入步进电动机的是连续脉冲，各相绕组不断地轮流通电，步进电动机连续 运转，其转速与脉冲频率成正比。每输入一个脉冲，转子转过的角度是整个圆周角的1／ (Z N)，因此每分钟转子所转过的圆周数即为转速，用n表示。