3455лаб11 (Лабораторная работа №3 по проектированию мехатронных систем)

Лабораторная работа №11

Разработка интерфейса для привода с шаговым двигателем и использованием импульсного вывода контроллера S7-200.

К оманда вывода импульсов

Команда вывода импульсов (PLS) используется для управления функциями "Вывод последовательности импульсов" (PTO) и "Широтно-импульсная модуляция"(PWM), имеющимися в распоряжении скоростных выходов(Q0.0 и Q0.1).

Для настройки импульсных выходов можно использовать мастер управления позиционированием. PTO предоставляет в распоряжение выходной сигнал в виде прямоугольных импульсов (с относительной длительностью импульсов 50%), период следования которых и количество определяется пользователем. PWM предоставляет в распоряжение выходной импульсный сигнал с постоянным периодом следования и переменной относительной длительностью импульсов, причем период следования импульсов и их ширину определяет пользователь.

S7-200 имеет два генератора PTO/PWM, которые формируют или быструю последовательность импульсов, или широтно-модулированный импульсный сигнал. Один генератор поставлен в соответствие цифровому выходу Q0.0, другой генератор цифровому выходу Q0.1. Определенный адрес специальной памяти (SM) хранит для каждого генератора следующие данные: управляющий байт (8-битовое значение), количество импульсов (32-битовое значение без знака), а также период следования импульсов и значение ширины импульса (16-битовое значение без знака).

Генераторы PTO и PWM и регистр образа процесса совместно используют Q0.0 и Q0.1. Когда функция PTO или PWM активна на Q0.0 или Q0.1, то выходом управляет генератор PTO или PWM, а нормальное использование выхода заблокировано. На форму выходного сигнала не влияет ни состояние регистра образа процесса, ни принудительное присваивание значений выходам, ни выполнение команд непосредственного вывода. Когда генератор PTO/PWM не активен, управление выходом возвращается регистру образа процесса. Регистр образа процесса определяет начальное и конечное состояние импульсного выходного сигнала, вызывая его начало и завершение на высоком или низком уровне.

Последовательность импульсов (PTO)

Функция PTO обеспечивает генерирование последовательности импульсов прямоугольной формы (с относительной длительностью 50%) с заданным количеством импульсов и заданным периодом следования импульсов (рисунок 1). PTO может генерировать отдельную последовательность импульсов или несколько последовательностей импульсов (используя профиль импульсов). Вы задаете количество импульсов и период следования импульсов (в микро- или миллисекундах):

- количество импульсов: от 1 до 4 294 967 295

- период следования импульсов: от 50 мкс до 65 535 мкс или от 2 мс до 65 535 мс.

Рисунок 1. Вывод последовательности импульсов

Если при задании периода следования импульсов указывается нечетное число микросекунд или миллисекунд (напр., 75 мс), то это приводит к некоторому искажению относительной длительности импульсов.

Функция PTO допускает сцепление, или конвейерную обработку последовательностей импульсов. Когда активная последовательность импульсов завершена, немедленно начинается вывод новой последовательности импульсов. Это обеспечивает непрерывность следующих друг за другом последовательностей импульсов.

Многосегментная конвейерная обработка импульсов PTO

При многосегментной конвейерной обработке S7-200 автоматически считывает характеристики каждого сегмента последовательности импульсов из таблицы профиля, расположенной в V-памяти. Используемыми в этом режиме адресами специальной памяти являются управляющий байт, байт состояния и начальное смещение в V-памяти таблицы профиля (SMW168 или SMW178). В качестве базы времени могут быть заданы микросекунды или миллисекунды, но этот выбор применяется ко всем значениям периода следования импульсов в таблице профиля и не может быть изменен, когда профиль активен.

Многосегментный режим работы запускается исполнением команды PLS. Запись для каждого сегмента имеет длину 8 байтов 16-битового значения периода следования импульсов, 16-битового значения приращения периода и 32-битового значения количества импульсов. Можно автоматически увеличивать или уменьшать длительность периода следования импульсов, программируя для каждого импульса определенное значение. Положительное значение в поле приращения периода следования импульсов увеличивает период, отрицательное значение уменьшает период, а нулевое значение не меняет периода следования импульсов. При обработке профиля PTO номер активного в данный момент сегмента находится в SMB166 (или SMB176).

Широтно-импульсная модуляция (PWM)

Функция PWM обеспечивает фиксированный период следования импульсов при переменной относительной длительности импульсов. Период следования и ширину импульсов можно задавать в микро- или миллисекундах:

- период следования импульсов: от 50 мкс до 65 535 мкс или от 2 мс до 65 535 мс

- ширина импульса: от 0 мкс до 65 535 мкс или от 2 мс до 65 535 мс.

Рисунок 2. Широтно-импульсная модуляция

Как показано в таблице 1, при установке ширины импульса равной периоду следования импульсов (что делает относительную длительность импульсов равной 100 процентам) выход включен постоянно. При установке ширины импульса равной 0 (что делает относительную длительность импульсов равной 0 процентов) выход выключен.

Таблица 1. Ширина и период следования импульсов и реакции функции PWM

Имеется два способа изменения характеристики импульсов PWM:

- синхронное обновление. Если не требуется изменения базы времени, то может быть выполнено синхронно обновление. При синхронном обновлении изменение характеристик импульсов происходит на границе периода следования импульсов, обеспечивая плавный переход.

- асинхронное обновление. Обычно при работе PWM меняется ширина импульсов при постоянном периоде следования, так что изменение базы времени не требуется. Однако, если требуется изменение базы времени генератора PTO/PWM, то используется асинхронное обновление. Асинхронное обновление вызывает на мгновение блокирование генератора PTO/PWM асинхронно со следованием импульсов PWM. Это может вызвать нежелательную неустойчивость работы управляемого устройства. Поэтому рекомендуется синхронное обновление PWM.

Конфигурирование и управление функциями PTO/PWM с помощью битов специальной памяти

Команда PLS считывает данные, хранящиеся в указанных ячейках специальной памяти (SM), и соответствующим образом программирует генератор PTO/PWM. SMB67 управляет PTO 0 или PWM 0, а SMB77 управляет PTO 1 или PWM 1.

Таблица 2 описывает регистры, используемые для управления функционированием PTO/PWM. Можно использовать таблицу 2 в качестве быстрой справки, чтобы определить значение, которое следует поместить в управляющий регистр PTO/PWM, чтобы вызвать желаемую операцию. Можно изменить характеристики сигнала PTO или PWM, изменяя биты памяти в области SM (включая управляющий байт), а затем исполняя команду PLS.

Можно в любое время заблокировать генерирование импульсов PTO или PWM, записав 0 в бит деблокировки PTO/PWM управляющего байта (SM67.7 или SM77.7), а затем исполняя команду PLS. Бит бездействия PTO в байте состояния (SM66.7 или SM76.7) предназначен для указания на завершение запрограммированной последовательности импульсов. Кроме того, по окончании последовательности импульсов может быть вызвана программа обработки прерываний. Если используется многосегментный режим, то команда обработки прерываний вызывается после завершения таблицы профиля. Следующие условия устанавливают SM66.4 (или SM76.4) и SM66.5 (или SM76.5):

- если задается приращение периода следования импульсов, которое через некоторое количество импульсов приведет к недопустимой длительности периода, то генерируется условие арифметического переполнения, которое завершает функцию PTO и устанавливает бит ошибки вычисления приращения (SM66.4 или SM76.4) в 1. Выход снова управляется через регистр образа процесса.

- если обрабатываемый профиль PTO завершается вручную, то в 1 устанавливается бит завершения по инициативе пользователя (SM66.5 или SM76.5).

- если загрузить конвейерную обработку, когда конвейер полон, то в 1 устанавливается бит переполнения PTO (SM66.6 или SM76.6). Если нужно обнаруживать последующие переполнения, то при обнаружении переполнения необходимо сбросить этот бит вручную. Этот бит устанавливается в 0 при переходе в режим RUN.

Таблица 2. Биты специальной памяти для управляющих регистров PTO / PWM

Таблица 3. Справочные данные об управляющем байте PTO/PWM

Расчет значений таблицы профиля

Возможность многосегментного режима конвейерной обработки генераторов PTO/PWM может быть полезной во многих приложениях, в частности, при управлении шаговыми двигателями. Например, вы можете использовать PTO с профилем импульсов для управления шаговым двигателем с помощью простой последовательности, состоящей из разгона, рабочего режима и торможения, или значительно более сложных последовательностей. Для этого вы определяете профиль импульсов, который может включать в себя до 255 сегментов, причем каждый сегмент соответствует некоторой функции, напр., разгон, рабочий режим и торможение.

Рисунок 3. Частотно-временная диаграмма

На рисунке 3 показан пример значений таблицы профиля, необходимых для генерирования последовательности выходных импульсов, которая разгоняет шаговый двигатель (сегмент 1), обеспечивает его работу с постоянной скоростью (сегмент 2), а затем тормозит двигатель (сегмент 3).

В этом примере: начальная и конечная частота следования импульсов равна 2 кГц, максимальная частота следования импульсов равна 10 кГц, и для достижения желаемого количества оборотов двигателя требуется 4 000 импульсов. Так как величины в таблице профиля выражаются в терминах периода следования импульсов, а не в частоте, то необходимо преобразовать заданные значения частоты в значения периода следования импульсов. Тогда начальное и конечное значение периода следования импульсов составит 500 мкс, а период следования импульсов, соответствующий максимальной частоте, равен 100 мкс. На интервале ускорения выходного профиля максимальная частота следования импульсов должна быть достигнута примерно через 200 импульсов. Интервал замедления профиля должен быть завершен примерно за 400 импульсов. Для данного сегмента может быть использована следующая формула для определения приращения периода следования импульсов, которую генератор PTO/PWM использует для настройки периода каждого импульса:

Приращение периода следования импульсов для сегмента =

где: - конечное значение периода следования импульсов для данного сегмента;

- начальное значение периода следования импульсов для данного сегмента;

- количество импульсов в данном сегменте.

С помощью этой формулы можно рассчитать значения приращений периода следования импульсов для данного примера:

Сегмент 1 (ускорение): приращение периода следования импульсов = -2;

Сегмент 2 (постоянная скорость): приращение периода следования импульсов = 0;

Сегмент 3 (замедление): приращение периода следования импульсов = 1.

В таблице 4 приведены значения для генерирования последовательности импульсов из примера (предполагается, что таблица профиля находится в памяти переменных, начиная с V500). Можно включить в свою программу команды для загрузки этих значений в память переменных, или определить значения профиля в блоке данных.