用PLC實現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)的快速精確定位

1、用PLC實現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)的快速精確定位摘要：在介紹步進(jìn)電機(jī)升降頻調(diào)速原理及快速精確定位方法的基礎(chǔ)上，提岀了利用PLC的高速脈沖輸岀實現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)位置控制功能的方法，給岀了精確定位的控制方案及軟件實現(xiàn)方法。關(guān)鍵詞：步進(jìn)電機(jī)，PLC，定位，S7-200，精確Abstract : This paper introduces the theory of speed regulation and the method of position con trol quickly and accurately for stepper-motor. It realized accurately orie ntati

2、on for stepper-motor with high-pulse output of PLC.Keywords : Stepper-motor ， PLC， position control ，S7-200， accuracy0引言步進(jìn)電機(jī)是一種將電脈沖轉(zhuǎn)化為角位移的執(zhí)行機(jī)構(gòu)。當(dāng)步進(jìn)驅(qū)動器接收到一個脈沖信號時就驅(qū)動步進(jìn)電機(jī)按設(shè)定的方向轉(zhuǎn)動一個固定的角度（稱為步距角”），其旋轉(zhuǎn)以固定的角度運行?？梢酝ㄟ^控制脈沖個數(shù)來控制角位移量以達(dá)到準(zhǔn)確定位的目的；同時也可以通過控制脈沖頻率來控制電機(jī)轉(zhuǎn)動的速度和加速度而達(dá)到調(diào)速的目的。步進(jìn)電機(jī)作為一種控制用的特種電機(jī)，因其沒有積累誤差（精度為100%

3、）而廣泛應(yīng)用于各種開環(huán)控制?？删幊绦蚩刂破鳎≒LC ）是專為在工業(yè)環(huán)境下應(yīng)用而設(shè)計的一種工業(yè)控制計算機(jī)，具有抗干擾能力強(qiáng)、可靠性極高、體積小等顯著優(yōu)點，是實現(xiàn)機(jī)電一體化的理想控制裝置。通過對步進(jìn)電機(jī)定位與 Siemens PLC的深入研究，本文提出了利用PLC的高速脈沖輸出實現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)位置控制功能的有關(guān)見解與方法，介紹了步進(jìn)電機(jī)加減速控制原理以及用PLC實現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)快速精確定位的方法，給出了位置控制系統(tǒng)方案及軟件設(shè)計思路，在實驗室內(nèi)運行通過，對于工礦企業(yè)實現(xiàn)相關(guān)步進(jìn)電機(jī)的精確定位控制具有較高的應(yīng)用與參考價值。1定位原理及方案1.1步進(jìn)電機(jī)加減速控制原理步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動執(zhí)行機(jī)構(gòu)從一個位置向另一個位置

4、移動時，要經(jīng)歷升速、恒速和減速過程。當(dāng)步進(jìn)電機(jī)的運行頻率低于其本身起動頻率時，可以用運行頻率直接起動并以此頻率運行， 需要停止時，可從運行頻率直接降到零速。當(dāng)步進(jìn)電機(jī)運行頻率fb>fa （有載起動時的起動頻率）時，若直接用fb頻率起動會造成步進(jìn)電機(jī)失步甚至堵轉(zhuǎn)。同樣在 fb頻率下突然停止 時，由于慣性作用，步進(jìn)電機(jī)會發(fā)生過沖，影響定位精度。如果非常緩慢的升降速，步進(jìn)電 機(jī)雖然不會產(chǎn)生失步和過沖現(xiàn)象，但影響了執(zhí)行機(jī)構(gòu)的工作效率。所以對步進(jìn)電機(jī)加減速要保證在不失步和過沖前提下，用最快的速度（或最短的時間）移動到指定位置。步進(jìn)電機(jī)常用的升降頻控制方法有2種：直線升降頻（圖1）和指數(shù)曲線升降頻（

5、圖2）。指數(shù)曲線法具有較強(qiáng)的跟蹤能力，但當(dāng)速度變化較大時平衡性差。直線法平穩(wěn)性好，適用于速度變化較大的快速定位方式。以恒定的加速度升降，規(guī)律簡練，用軟件實現(xiàn)比較簡單，本文即采用此方法。圖1直踐丹降頻1.2定位方案要保證系統(tǒng)的定位精度，脈沖當(dāng)量即步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)一個步距角所移動的距離不能太大，而且步進(jìn)電機(jī)的升降速要緩慢，以防止產(chǎn)生失步或過沖現(xiàn)象。但這兩個因素合在一起帶來了一 個突出問題：定位時間太長，影響執(zhí)行機(jī)構(gòu)的工作效率。因此要獲得高的定位速度，同時又要保證定位精度，可以把整個定位過程劃分為兩個階段：粗定位階段和精定位階段。粗定位階段，采用較大的脈沖當(dāng)量，如0.1mm/步或1mm/步，甚至更高。精定

6、位階段，為了保證定位精度，換用較小的脈沖當(dāng)量，女口0.01mm/步。雖然脈沖當(dāng)量變小，但由于精定位行程很短（可定為全行程的五十分之一左右），并不會影響到定位速度。為了實現(xiàn)此目的，機(jī)械 方面可通過采用不同變速機(jī)構(gòu)實現(xiàn)。工業(yè)機(jī)床控制在工業(yè)自動化控制中占有重要位置，定位鉆孔是常用工步。 設(shè)刀具或工作臺欲從 A點移至C點，已知 AC=200mm，把AC劃分為AB與BC兩段，AB=196mm， BC=4mm，AB段為粗定位行程，采用0.1mm/步的脈沖當(dāng)量依據(jù)直線升降頻規(guī)律快速移動， BC段為精定位行程，采用0.01mm/步的脈沖當(dāng)量，以 B點的低頻恒速運動完成精確定位。在粗定位結(jié)束進(jìn)入精定位的同時，P

7、LC自動實現(xiàn)變速機(jī)構(gòu)的更換。2定位程序設(shè)計2.1 PLC脈沖輸出指令目前較為先進(jìn)的PLC不僅具有滿足順序控制要求的基本邏輯指令，而且還提供了豐富 的功能指令。Siemens S7-200 系列PLC的PLUS指令在 Q0.0和Q0.1輸出PTO或PWM 高速脈沖，最大輸出頻率為 20KHZ。脈沖串（PTO ）提供方波輸出（50%占空比），用戶 控制周期和脈沖數(shù)。脈沖寬度可調(diào)制（PWM ）酮能提供連續(xù)、變占空比輸出，用戶控制周期和脈沖寬度。本文采用PTO的多段管線工作方式實現(xiàn)粗定位，PTO的單段管線方式實現(xiàn)精定位，如圖3。版權(quán)所有匚碗口10kHz 2 kHz 時聞! JL第1段第2段第3遜19

8、Em0- liam= 19604-脈沖（祖足位）精定位二脈沖Inin0. 01mm圖3步進(jìn)電機(jī)定位過程圖上述例子中，假定電機(jī)的起動和結(jié)束頻率是 2KHz ,最大脈沖頻率是10KHZ。在粗定位 過程中，用200個脈沖完成升頻加速，400個脈沖完成降頻減速。使用 PLC的PTO多段 管線脈沖輸出時，用下面的公式計算升降頻過程中的脈沖增量值。給定段的周期增量=（ECT ICT）IQ式中：ECT=該段結(jié)束周期時間ICT=該段初始周期時間利用這個公式，加速部分（第1段）周期增量為2,減速部分（第3段）周期增量為1。 因第2段是恒速部分，故周期增量為0。如果PTO的包絡(luò)表從VB500開始存放，則表1為上例

9、的包絡(luò)表值。¥存儲器地址值VB5003 （總段數(shù)）VB5O1500 （初始周期-段粗）VB5O3理（周期增童-段就）VB5O&200 （脈沖數(shù)-段沁VB5O9100 （初始周期-段吃）VBS110 （周期噌量-段耗）VB5131360 （脈沖數(shù)-段常2）VB517100 （初始周期-段VB5191 （周期増量-段細(xì)）VB52100 （脈沖數(shù)-段幅）表1粗定位的PTO多段管線包絡(luò)表值2.2源程序/主程序LD SM0.1 / 首次掃描為 1R Q0.0 ，1 /復(fù)位映像寄存器位CALL 0 / 調(diào)用子程序 0，初始化粗定位相關(guān)參數(shù)LD M0.0 / 粗定位完成R Q0.0 ， 1

10、CALL 1 / 調(diào)用子程序 1，初始化精定位相關(guān)參數(shù)/子程序 0, 粗定位LD SM0.0MOVB 16#A0 ， SMB67 / 設(shè)定控制字：允許 PTO 操作，選擇 ms 增量，選擇多段操作MOVW 500 ，SMW168 / 指定包絡(luò)表起始地址為 V500MOVB 3 ，VB500 / 設(shè)定包絡(luò)表段數(shù)是 3MOVW 500 ，VW501 / 設(shè)定第一段初始周期為 500msMOVW -2 ，VD503 / 設(shè)定第一段周期增量為 -2msMOVD 200 ，VD505 / 設(shè)定第一段脈沖個數(shù)為 200MOVW 100 ，VW509 / 設(shè)定第二段初始周期為 100msMOVW 0 ，VD

11、511 / 設(shè)定第二段周期增量為 0msMOVD 1360 ，VD513 / 設(shè)定第二段脈沖個數(shù)為 1360MOVW 100 ，VW517 / 設(shè)定第三段初始周期為 100msMOVW 1 ，VD519 / 設(shè)定第三段周期增量為 1msMOVD 400 ，VD521 / 設(shè)定第三段脈沖個數(shù)為 400ATCH 2 ，19 /定義中斷程序 2 處理 PTO 完成中斷ENI / 允許中斷PLS 0 / 啟動 PTO 操作/子程序 1 ，精定位量，設(shè)定脈沖數(shù)和周期LD SM0.0 / 首次掃描為 1MOVB 16#8D ，SMB67 / 允許 PTO 功能，選擇 msMOVW 500 ，SMW68 /