应用PWM脉冲技术实现优化效果

1.PWM 脉冲介绍

西门子S7－1200 PLC 提供两个输出通道用于高速脉冲输出，可以分别组态为脉冲串输出PTO 或脉冲调制输出PWM。脉冲串输出PTO 可以输出一串脉冲(占空比50%)，用户可以控制脉冲的周期和个数。占空比就是负载周期，其含义是在一串理想的脉冲序列中(如方波)，正脉冲的持续时间与脉冲总周期的比值。PWM 控制是一种脉冲宽度调制技术，即通过对一系列脉冲的宽度进行调制来等效地获得所需要的波形。它是一种周期固定、脉冲宽度可以调节(占空比可调)的脉冲输出。

PTO 或PWM 两种脉冲发生器映射到特定的数字输出，可以使用板载CPU 输出，也可以使用可选的信号板输出。S7－1200 每个CPU 有2 个(CPU 硬件版本为2.2)或4 个(CPU硬件版本为3.0 及以上)PTO/PWM 发生器，分别通过CPU 集成的Q0.0 ～Q0.3 (或信号板上的Q 4.0 ～Q4.3)或Q0.4 ～Q0.7 输出PTO 或PWM 脉冲。如表9－8所示，列出了在使用默认输出组态时，2 个PTO/PWM 发生器的脉冲功能输出点的占用情况。如果更改了输出点的编号，则输出点编号将为用户指定的编号。无论是在CPU 上还是在连接的信号板上，PTO1/PWM1 都使用前两个数字输出，PTO2/PWM2 使用接下去的两个数字输出，PWM 仅需要一个输出，而PTO 的每个通道可选择使用两个输出。如果脉冲功能不需要输出，则相应的输出可用于其他用途。

表9-8　脉冲功能输出点的占用情况

TIA 软件使用PWM 指令可以直接在程序编辑区右边指令表的“扩展指令”下的“脉冲”获得，即CTRL_PWM 指令。CTRL_PWM 指令的调用也需要背景数据块的支持。CTRL_PWM 指令的输入/输出参数类型、数据类型及说明如表9－9所示。

表9-9　CTRL_PWM 指令的相关说明

2.PWM 的应用案例

1)控制要求

电机需要进行软启动、软停止控制。按一下启动按钮，电机在10 s内从零转速线性增速到额定转速；按下停止按钮，电机在10 s内从额定转速减速到零转速。

2)PWM 的组态

使用PWM 之前，首先对脉冲发生器组态，具体步骤如下:

(1)打开PLC 的设备视图，选中其中的CPU。

(2)打开下面的巡视窗口的“属性”选项卡，选中左边“PTO1/PWM1”中的“常规”参数组，用复选框选中右边窗口的复选框“启用该脉冲发生器”，激活该脉冲发生器。

(3)选中左边窗口的“参数分配”组，如图9－41所示，在右边的窗口可以设置下列参数。

图9-41　设置脉冲发生器的参数(www.xing528.com)

使用“信号类型”下拉式列表，选择脉冲发生器PWM。使用“时基(时间基准)”下拉式列表，可选择毫秒或微秒，这里选毫秒。使用“脉宽格式”下拉式列表，可选择下列脉冲宽度格式:百分之一 (0 ～ 100)、千分之一 (0 ～ 1 000)、万分之一 (0 ～10 000)和模拟量格式(0 ～27 648)，这里选百分之一。使用输入域“循环时间”，设置脉冲的周期值，单位与上述参数“时基”一致。使用输入域“初始脉冲宽度”，设置脉冲的占空比。脉冲宽度的设置单位与上述参数“脉宽格式”一致，这里选择50，即50%占空比的脉冲列。

(4)对于PWM1 来说，其硬件输出是默认的脉冲输出Q0.0。

(5)选中左边窗口的“IP 地址”参数组，在右边窗口可以看到PWM 输出地址项的起始地址、结束地址，如图9－42所示。它为PWM 所分配的脉宽调制地址，此地址为WORD型，用于存放脉宽值，可以在系统运行时修改此值以达到修改脉宽的目的。在默认情况下，PWM1 地址为QW1000，PWM2 地址为QW1002，PWM3 地址为QW1006，PWM4 地址为QW 1008。用户也可以修改其起始地址，这个案例采用默认值。

图9-42　PWM 的输出地址

(6)选中左边窗口的“硬件标识符”参数组，在右边窗口可以看到其硬件标识符为265。

3)案例的变量表

根据案例的要求，确定PLC 的变量表如图9－43所示。

图9-43　PLC 的变量表

4)PLC 程序

该案例的PLC 程序如图9－44所示。程序中PWM 指令的编辑如下:将右边的“扩展指令”窗口的文件夹“脉冲”中的CTRL_PWM 指令拖放到OB1，单击出现的“调用选项”对话框中的“确定”按钮，生成该指令默认名称的背景数据块CTRL_PWM_DB。用鼠标双击指令的PWM 左边，单击出现的按钮，用下拉式列表中“Local～Pulse_1”，其硬件标识符为265。

图9-44　PLC 程序

图9-44　PLC 程序(续)

PLC 程序的简要介绍如下:程序段1，首次循环，设置脉冲输出宽度为0。程序段2，用于调用CTRL_PWM 指令。程序段3，按下启动按钮，运行状态置1；按下停止按钮，运行状态置0。程序段4，运行状态为1 时，进入线性增速阶段，0.1 s增加一个脉冲宽度，从0 ～100；运行状态为0 时，进入线性减速阶段，0.1 s减少一个脉冲宽度，从100 至0。程序段5，将脉冲宽度输出到QW1000 的PWM 输出口。

在实际应用中，我们还可以通过外部的模拟量输入IW 送给PWM 的脉冲输出宽度QW1000。在图9－41 的设置脉冲发生器的参数中要将“脉宽格式”设为“S7 模拟量格式”。这时若将“循环时间”设为“1 000 ms”，“初始脉冲宽度”设为“0”，那么脉冲周期为1 s，模拟量值在0 ～27 648 变化。当模拟量发生变化时，CPU 输出的脉冲宽度也随之变化，但周期不变，可用于控制脉冲方式的加热设备。