第08章 高速计数与高速脉冲

第08章 PLC综合应用技术 章 综合应用技术8.1 步进电动机控制

由于输入的是脉冲信号，输出的角位移是断续的， 由于输入的是脉冲信号，输出的角位移是断续的，所以又称 为脉冲电动机。 为脉冲电动机。

种类：步进电机的种类很多，通常可分为三种类型 步进电机的种类很多，通常可分为三种类型: 反应式(VR Variable Reluctance motor)、 反应式 、 永磁式(PM permanent magnet motor) 永磁式 混合式(同步感应式 混合式 同步感应式HB Hybrid motor)。 同步感应式 。

应用： 应用：步进机的应用非常广泛。 步进机的应用非常广泛。如：在数控机床、自动 在数控机床、 绘图仪等设备中都得到应用。 绘图仪等设备中都得到应用。

减小步距角的方法实际采用的步进电机的步距角多为1.8度和 度 实际采用的步进电机的步距角多为 度和0.9度， 度和 步距角越小，精度越高。为产生小步距角， 步距角越小，精度越高。为产生小步距角，定、转子都 做成多齿的，图中转子40个齿 个齿， 个磁极， 做成多齿的，图中转子 个齿，定子仍是 6个磁极，但每 个磁极 个磁极上也有若干个齿。 个磁极上也有若干个齿。 (一) 最大静转矩 一 最大静转矩是指步进电动机 在规定的通电相数下矩角 特性上的转矩最大值。 特性上的转矩最大值。A

C` B`

TL = (0.3 ~ 0.5)T j maxC B

A'

步进机通过一个电脉冲,转子转过的角度 称为步距角 步进机通过一个电脉冲 转子转过的角度,称为步距角。步 转子转过的角度 称为步距角。 进电动机的步距角的大小是由转子的齿数、控制绕组的相 数和通电方式所决定。

步距角

360° θS = Zr mC

m:控制绕组的相数 Zr :转子齿数 C: C—通电状态系数，当采用单 通电状态系数， 通电状态系数 拍或双拍方式时， 拍或双拍方式时，C=1;而采用 ； 单、双拍方式时，C=2。 双拍方式时， 。

如：Zr=40 ,

m=3 时

360° θS = = 3° 40×3

转速

60 fθs n= 360

f:电脉冲的频率

60 f n= mZ r C

反应式步进电机特性曲线

混合式步进电机特性曲线

(一) 直流伺服电动机的机械特性 一机械特性是指控制电压恒定时， 机械特性是指控制电压恒定时，电机 的转速随转矩变化的关系

n = f (T g )

Ua Ra n= Tg Ke Ki Ke特性曲线与纵轴的交点为电磁转矩等 于零时电动机的理想空载转速 n0

机械特性曲线与横轴的交点为电机堵转 时(n=0)的转矩，即电动机的堵转矩Tk

Kt Tk = Ua Ra

高速脉冲输出 高速脉冲输出

S7-200 高速输出指令1. 每个 每个CPU 有两个 有两个PTO/PWM 发生器产生高速脉 冲串和脉冲宽度可调的波形一个发生器分配在数 字输出Q0.0 另一个分配在数字输出 另一个分配在数字输出Q0.1。 字输出 。 2.

PTO/PWM 发生器和映像寄存器共同使用 发生器和映像寄存器共同使用Q0.0 Q0.1, 设定为PTO 和Q0.1,当Q0.0 或Q0.1 设定为PTO 或PWM 功 能时， 发生器控制输出， 能时，PTO/PWM 发生器控制输出，在输出点禁 止使用通用功能。映像寄存器的状态、 止使用通用功能。映像寄存器的状态、输出强置 或立即输出指令的执行都不影响输出波形。 或立即输出指令的执行都不影响输出波形。当不 使用PTO/PWM 发生器时，输出由映像寄存器控 发生器时， 使用 制映像寄存器，决定输出波形的初始和结束状态 制映像寄存器， 以高电平或低电平产生波形的起始和结束。 ,以高电平或低电平产生波形的起始和结束。 3. 建议在允许 建议在允许PTO 或PWM 操作前把 操作前把Q0.0 和Q0.1 的映像寄存器设定为0 的映像寄存器设定为

S7-200 高速输出指令4. 脉冲串(PTO) 功能提供方波(50% 占空比) 输出，用户控 制周期和脉冲数脉冲宽度。调制(PWM) 功能提供连续变 占空比输出，用户控制周期和脉冲宽度，每个PTO/PWM 发生器有一个控制字节(8 位) ,16 位无符号的周期时间 值和脉宽值各一个，还有一个32 位无符号的脉冲计数值 。这些值全部存储在指定的特殊存储器中。一旦这些特 殊存储器的位被置成所需操作，可通过执行脉冲指令 (PLS) 来调用这些操作，这条指令使S7-200 读取特殊存 储器中的位，并对相应的PTO/PWM 发生器进行编程， 修改特殊寄存器(SM)区(包括控制字节) ,然后执行PLS 指令，可以改变PTO 或PWM 特性，把PTO/PWM 控制 字节(SM66.7 或SM77.7) 的允许位置为0 ,并执行PLS指 令，可以在任何时候禁止PTO 或PWM 波形的产生。

PWM 操作PWM 功能提供占空比可调的脉冲，输出周期 和脉宽的增量单位为微秒( s) 或毫秒(ms) ,周 期变化范围分别为50 ~65,535 微秒或2~ 65,535 毫秒，脉宽变化范围分别为0 ~65,535 0 微秒或0~65,535 毫秒。当脉宽大于等于周期时 占空比为100% 即输出连续接通。当脉宽为0 时占空比为0% 即输出断开，如果周期小于2 个时间单位那么周期时间被缺省地设定为2 个 时间单位。

PTO 操作 PTO 提供指定脉冲个数的方波(50% 占空比) 脉冲串发生 功能，周期可以用微秒或毫秒为单位指定，周期的范围是 50 到65,535 微秒或2 到65,535 毫秒。如果设定的周期是 奇数会引起占空比的一些失真，脉冲数的范围是1 到 4,294,967,295,如果周期时间少于2 个时间单位就把周期 缺省地设定为2 个时间单位，如果指定脉冲数为0 就把脉 冲数缺省地设定为1 个脉冲。 状态字节中的PTO 空闲位(SM66.7 或SM76.7) 用来指示 可编程脉冲串完成，另外根据脉冲串的完成调用中断程序 ，如果使用多段操作，根据包络表的完成，调用中

断程序 。 PTO 功能允许脉冲串的排队，当激活的脉冲串完成时， 功能允许脉冲串的排队，当激活的脉冲串完成时， 立即开始新脉冲的输出， 立即开始新脉冲的输出，这保证了顺序输出脉冲串的连续 性。

多段管线 在多段管线中，CPU 自动从V 存储器区的包络表中读出 每个脉冲串段的特性，在该模式下，仅使用特殊寄存器区 的控制字节和状态字节，选择多段操作必须装入包络表的 起始V 存储器区的偏移地址(SMW168 或SMW178)、 时 间基准可以选择微秒或者毫秒，但是在包络表中的所有周 期值必须使用一个基准，而且当包络执行时不能改变，多 段操作可以用PLS 指令启动。 每段的长度是8 个字节：由16 位周期值，16 位周期增量 值和32 位脉冲计数值组成， 包络表的格式表 所示。多段PTO 操作的另一个特点是按 照每个脉冲的个数自动增减周期的能力，在周期增量区输 入一个正值将增加周期，输入一个负值将减小周期输入， 0 值将不改变周期。

多段PTO操作的包络表格式 操作的包络表格式 多段

计算包络表值 PTO/PWM 发生器的多段管线能力，在许 多应用中非常有用，尤其在步进电机控制 中，下面 的例子说明了如何生成包络表值 ，按要求产生输出波形，加速电机，恒速 运行，然后减速电机。

对该例假定需要4000 个脉冲达到要求的电机转动 数，启动和结束频率是2kHz ,最大脉冲频率是 10 kHz ,由于包络表中的值是用周期表示的，而 不是用频率，需要把给定的频率值转换成周期值 。所以启动和结束的周期是500us ,最大频率对 应的周期是100us。 在输出包络的加速部分，要求在200 个脉冲左右 达到最大脉冲频率，也假定包络的减速部分在 400 个脉冲完成。