PLC控制伺服电机准确定位的方法

2 利用PLC的高速脉冲指令控制步进电机实现准确定位

　　2.1 系统工作原理

　　步进电机因其具有结构简单、控制方便、转动惯量低、定位精度高、无累积误差和成本低廉等优点而成为工业控制的主要执行元件，尤其是在精确定位场合中得到广泛应用。在工业生产中，步进电机和生产机械的连接有很多种，常见的一种是步进电机和丝杠连接，将步进电机的旋转运动转变成工作台面的直线运动。当需要对工作台面移动距离进行定位控制时，只需要控制步进电机的转速和角位移大小即可。在非超载的情况下，步进电机的转速和角位移只取决于脉冲信号的频率和脉冲数。它输出的角位移与输入的脉冲数成正比，转速与脉冲频率成正比。改变绕组通电的相序，则可以实现步进电机反转。

　　目前世界上主要的PLC厂家生产的PLC均有专门的高速脉冲输出指令，可以很方便地和步进电机构成运动定位控制系统。由PLC高速脉冲指令控制步进电机实现准确定位的实质是PLC通过高速脉冲输出指令PTO/PWM输出高速脉冲信号，经步进电机脉冲细分驱动器控制步进电机的运行，从而推动工作台移动到达指定的位置，实现准确定位。工作台移动的距离与PLC脉冲数之间的关系为：

　　式中：N为PLC发出的控制脉冲的个数;n为步进电机驱动器的脉冲细分数(如果步进电机驱动器有脉冲细分驱动);θ为步进电机的布距角，即步进电机每收到一个脉冲变化，轴所转过的角度;d为丝杠的螺纹距，它决定了丝杠每转过一圈，工作台面前进的距离;δ为脉冲当量(定位精度);i为传动速比;L为工作台移动的距离。

　　显然，利用PLC控制步进电机实现准确定位的关键是对PLC产生的脉冲数的设定。而脉冲数与脉冲当量、传动速比、步进电机驱动器的细分数以及脉冲频率等都有关。

　　2.2 设计与实施

　　以货物仓储系统中的对直线导轨的定位控制设计为例加以说明。在仓储系统中，要求由步进电机拖动直线导轨将料块送到指定的仓库门口。假设从起点到终点的运送距离为100 mm，即要求由步进电机带动导轨作直线运动，定位距离为100 mm。为实现准确定位，系统采用西门子S7-200系列CPU226型PLC、四通57BYG250C混合式步进电机和森创SH-20403步进电机驱动器等设备。其中CPU226型PLC的CPU有两个脉冲发生器，分别是Q0.0端子和Q0.1端子。这两个端子均可输出PTO/PWM高速脉冲信，脉冲频率可达20 kHz。根据控制要求，系统拟采用高速脉冲串输出PTO功能，PTO功能可输出一定脉冲个数和占空比为50%的方波信号。输出脉冲的周期以μs或ms为增量单位。PTO功能允许多个脉冲串排队输出，从而形成流水线。流水线分为两种：单段流水线和多段流水线。

　　为了消除电机的低频振荡，提高分辨率，采用了步进电机细分驱动器，驱动步距角为0.9°/1.8°，脉冲细分数设定为4。为保证速度和定位精度要求，步进电机运行一般要经历三个过程，即启动加速、恒速运行和接近定位点时的减速运行。为了维护步进电机以及驱动设备，要求驱动脉冲频率也线性增大，所以，本定位控制系统采用多管线操作，控制电机的运行过程。设直线导轨起始位置在A点，现欲从A点移至D点，其中AD=100 mm。定位精度只与步进电机脉冲当量有关，取脉冲当量为0.11 mm/脉冲，则需要900个脉冲完成定位。步进电机运行过程中，要从A点加速到B点后恒速运行，又从C点开始减速到D点完成定位过程用200个脉冲完成升频加速，500个脉冲恒速运行，200个脉冲完成降频减速。如图2所示。

　　因此确定PTO为3段脉冲管线(AB，BC，CD)。设最大脉冲频率为1 kHz，将16#A0写入控制字节SMB67，允许多段PTO脉冲输出，时基为μs级，建立3段脉冲的包络表并对各段参数分别设置，给定段的周期增量按下式计算：

　　给定段的周期增量=(该段结束时的周期值-该段初始的周期值)/该段脉冲数

　　包络表结构如表1所示。

　　参考程序如图3所示。