秒s为单位，而转速是以每分钟的转数r/min为单位，则电动机的转速为

n?60M1 (6-1) ZTc

在上式中，Z和Tc均为常值，因此转速n正比于脉冲个数M1。高速时M1大，量化误差小，随着转速的降低误差增大，转速过低时M1将小于1，测速装置便不能正常工作，所以M法测速只适用于高速段。

（二）M法测速的分辨率

在M法测速中，当计数值由M1变为M1+1时，按式（6-1），相应的转速由60 M1/ZTc变为60（M1+1）/ZTc，则M法测速分辨率为：

Q?

60(M1?1)60M160 （6-2） ??ZTcZTcZTc?M1传感器输出脉冲Tc

图6-6 M法测速

测速时间可见，M法测速的分辨率与实际转速的大小无关。从式（6-2）还可看出，要提高分辨率（即减小Q），必须增大Tc或Z。但在实际应用中，两者都受到限制，增大Z受到编码器制造工艺的限制，增大Tc势必使采样周期变长。

（三）M法测速的误差率

在M法测速中，测速误差决定于编码器的制造精度，以及编码器输出脉冲前沿和测速时间采样脉冲前沿不齐所造成的误差等等，最多可能产生一个脉冲的误差。因此，M法测速误差率的最大值为：

60M160(M1?1)?ZTcZTc1??100%??100% （6-3）

60M1M1ZTc?max由式（6-3）可知，?max与M1成反比，即转速越低，M1越小，误差率越大。 实验中固定在电动机轴上的磁片数越多，电动机每转输出的脉冲数就越

多，转速测量也就越精确，由于实际条件的限制，电机每转一圈输出200个脉冲，脉冲信号送到PLC的高速计数器，程序中设计每隔200 ms执行一次高速计数器指令。

程序设计中具体算法分析如下： 根据式（6-1），结合本次实验设计，可以得出：Z=3，Tc=50ms×25=1.25s，

60?M1?16M1，M1为高速计数器所计脉冲数，16为脉冲数到转即n?3?1.25速值之间的转换系数，在程序中用乘法指令来实现。

本次设计中，在主程序首次扫描时，利用“首次扫描”位SM0.1来调用PLC内部高速计数器的初始化子程序2，实现对高速计数器的状态字节、控制字节、预置值和当前值的设置，然后在调用中断程序0来实现脉冲数到转速的计算与转换，最后把转速值放到一个存储单元VW20中，等待扫描显示。

4 PWM、中断、高速计数、PID指令简介

4.1直流电机的PWM调速概述

直流电机由于具有速度控制容易，启、制动性能良好，且在宽范围内平滑调速等特点而在冶金、机械制造、轻工等工业部门中得到广泛应用。直流电动机转速的控制方法可分为两类，即励磁控制法与电枢电压控制法。励磁控制法控制磁通，其控制功率虽然小，但低速时受到磁饱和的限制，高速时

受到换向火花和换向器结构强度的限制而且由于励磁线圈电感较大，动态响应较差。所以常用的控制方法是改变电枢端电压调速的电枢电压控制法，调节电阻R即可改变端电压，达到调速目的，但这种传统的调压调速方法效率低。

随着电力电子技术的进步，发展了许多新的电枢电压控制方法。其中PWM(脉宽调制)是常用的一种调速方法。

PWM（脉冲宽度调制）是通过控制固定电压的直流电源开关频率，从而改变负载两端的电压，进而达到控制要求的一种电压调整方法。在PWM驱动控制的调整系统中，按一个固定的频率来接通和断开电源，并根据需要改变一个周期内“接通”和“断开”时间的长短。通过改变直流电机电枢上电压的“占空比”来改变平均电压的大小，从而控制电动机的转速。因此，PWM又被称为“开关驱动装置”。

PWM可以应用在许多方面，如电机调速、温度控制、压力控制等。最近几年来，随着微电子技术和计算机技术的发展及单片机的广泛应用，使调速装置向集成化、小型化和智能化方向发展。

与V-M(晶闸管-电动机系统)系统相比，PWM系统在很多方面有较大的优越性：

（1）电路线路简单，需用的功率元件少。

（2）开关频率高，电流容易连续，谐波少，电机损耗及发热都较小。 （3）低速性能好，稳态精度高，调速范围宽，可达1：10000左右。 （4）若与快速响应的电动机配合，则系统频带宽，动态响应快，动态能力强。

（5）功率开关器件工作在开关状态，导通损耗小，当开关频率适当时，开关损耗也不大，因而装置效率高。

（6）直流电源采用不控整流时，电网功率因数比相控整流器高。

由于有上述优点，直流PWM调速系统的应用日益广泛，特别在中、小容量的高动态性能系统中，已经完全取代了V-M系统。

4.2 S7-200PLC实现直流电动机的PWM调速

4.2.1 S7-200PLC的高速脉冲输出指令

S7-200PLC的每个CPU有两个PTO/PWM(脉冲列/脉冲宽度调制器)发生器，分别通过数字量输出点Q0.0或Q0.1输出高速脉冲列或脉冲宽度可调的波形[3]。脉冲输出指令（PLS,见图3-4）检查为脉冲输出（Q0.0或Q0.1）设置的特殊存储器为（SM），然后启动由特殊存储器位定义的脉冲操作。指令

的操作数Q=0或1，用于指定是Q0.0或Q0.1输出。

PTO/PWM发生器与输出映像寄存器共同使用Q0.0及Q0.1。当Q0.0或Q0.1被设置为PTO或PWM功能时，PTO/PWM发生器控制输出，在该输出点禁止使用数字输出功能，此时输出波形不受映像寄存

PLSEN器的状态、输出强制或立即输出指令的影响。不使用ENOQPTO/PWM发生器时，Q0.0与Q0.1作为普通的数字输出

图4?1脉冲输出指令使用。

脉冲宽度与脉冲周期之比成为占空比，脉冲列（PTO）

功能提供周期与脉冲数目可以由用户控制的占空比为50%的方波输出。脉冲宽度调制（PWM,简称为脉宽调制）功能提供连续的，周期与脉宽可以由用户控制的输出。本次设计所使用的PLC,CPU型号为224，它有两个模拟电位器,用特殊存储器SMB28和SMB29来标志，分别对应于模拟电位器0和模拟电位器1动触电的位置（只读），通过调节对应的电位器就可以改变PWM波的脉宽。由于本次设计主要用脉冲宽度调制器（PWM），所以对于脉宽列（PTO）就不再作详细介绍。

所有控制字节、周期、脉冲宽度和脉冲数的默认值均为0。通过修改SM区（包括控制字节），然后再执行PLS指令，可以改变PWM输出波形的特性。将控制字节的PWM允许位（SM67.7或SM77.7）置为0，然后执行PLS指令，在任意时刻均可以禁止PWM波形输出。

PWM功能提供可变占空比的脉冲输出，时间基准为us或ms，周期的变化范围为10～65535us或2～65535ms，脉冲宽度的变化范围为0～65535us或0～65535ms。当指定脉冲宽度大于周期值时，占空比为100%，输出连续接通；当脉冲宽度为0时，占空比为0%，输出断开。如果指定的周期小于两个时间单位，周期被默认为两个时间单位。可以用下述两种方法改变PWM波形的特性。

（1）同步更新 如果不要求改变时间基准，即可以进行同步更新。同步更新时，波形特性的变化在两个周期的交界处，可以实现平滑过度。

（2）异步更新 PWM的典型操作是脉冲宽度变化但周期保持不变，因此不要求改变时间基准。如果需要改变PWM发生器的时间基准，则应使用异步更新。异步更新瞬时关闭PWM发生器，与PWM的输出波形不同步，可能引起被控设备的抖动。因袭建议选择一个适用于所有周期时间的时间基准，使用同步PWM更新。

控制字节中的“PWM更新方式位”（SM67.4或SM77.4）用来指定更新类型，执行PLS指令使改变生效。如果改变了时间基准，不管PWM更新方

式位的状态如何，都会产生一个异步更新。

下表为与PWM有关的特殊存储器。如果要装入新的脉冲数、脉冲宽度或周期，应在执行PLS指令前将它们装入相应的控制寄存器。

表3-1 PWM控制寄存器与有关的特殊存储器 Q0.0 SM67.0 SM67.1 控制 字节 SM67.2 SM67.3 SM67.4 SM67.5 SM67.6 SM67.7 其他寄存器 SMW68 SMW70 Q0.1 SM77.0 SM77.1 SM77.2 SM77.3 SM77.4 SM77.5 SM77.6 SM77.7 SMW78 SMW80 描述 PWM更新周期值：1=写新的周期值 PWM更新脉冲宽度：1=写新的脉冲宽度 未用 PWM基准时间单位：0=1us，1=1ms PWM更新方式：0=异步更新，1=同步更新 未用 PWM模式选择：0=PTO，1=PWM PWM有效位：0=无效，1=允许 PWM周期值（2～65535倍时间基准） PWM脉冲宽度值（2～65535倍时间基准） 4.2.2控制原理的实现

有了高速脉冲输出指令，实现对直流电动机的PWM调速就非常方便了。可以通过控制字节的设置来改变脉冲宽度和周期，实现控制任务，在初始化子程序中设置控制字节是一个关键程序，若设置出错，就会导致脉冲无法输出。

4.3 中断指令

中断指令使系统暂时中断正在执行的程序，而转到中断服务程序去处理那些急需处理的事件，处理后返回原程序执行。包括中断允许（ENI）指令、全局中断禁止（DISI）指令、中断连接（ATCH）指令、中断分离（DTCH）指令、中断返回（CRETI）指令。按优先级从高到低中断可分为通信口中断、I/O中断、时基中断[1]。

中断允许（ENI）指令 全局地允许所有被连接的中断事件。 全局中断禁止（DISI）指令 全局地禁止处理所有中断事件。

中断连接（ATCH）指令 用来建立某个中断事件和某个中断程序之间的联系，并允许这个中断事件。

中断分离（DTCH）指令 用来解除某个中断事件和某个中断程序之间的联系，并禁止该中断事件。