利用PLC的高速脈沖指令控制步進電機實現準確定位

系統工作原理

 步進電機因其具有結構簡單、控制方便、轉動慣量低、定位精度高、無累積誤差和成本低廉等優點而成為工業控制的主要執行元件，尤其是在精確定位場合中得到廣泛應用。在工業生產中，步進電機和生產機械的連接有很多種，常見的一種是步進電機和絲杠連接，將步進電機的旋轉運動轉變成工作臺面的直線運動。當需要對工作臺面移動距離進行定位控制時，只需要控制步進電機的轉速和角位移大小即可。在非超載的情況下，步進電機的轉速和角位移只取決于脈沖信號的頻率和脈沖數。它輸出的角位移與輸入的脈沖數成正比，轉速與脈沖頻率成正比。改變繞組通電的相序，則可以實現步進電機反轉。

 目前世界上主要的PLC廠家生產的PLC均有專門的高速脈沖輸出指令，可以很方便地和步進電機構成運動定位控制系統。由PLC高速脈沖指令控制步進電機實現準確定位的實質是PLC通過高速脈沖輸出指令PTO/PWM輸出高速脈沖信號，經步進電機脈沖細分驅動器控制步進電機的運行，從而推動工作臺移動到達指定的位置，實現準確定位。

 利用PLC控制步進電機實現準確定位的關鍵是對PLC產生的脈沖數的設定。而脈沖數與脈沖當量、傳動速比、步進電機驅動器的細分數以及脈沖頻率等都有關。

設計與實施

 以貨物倉儲系統中的對直線導軌的定位控制設計為例加以說明。在倉儲系統中，要求由步進電機拖動直線導軌將料塊送到指定的倉庫門口。假設從起點到終點的運送距離為100 mm，即要求由步進電機帶動導軌作直線運動，定位距離為100 mm。

 為實現準確定位，系統采用西門子S7-200系列CPU226型PLC、四通57BYG250C混合式步進電機和森創SH-20403步進電機驅動器等設備。其中CPU226型PLC的CPU有兩個脈沖發生器，分別是Q0.0端子和Q0.1端子。這兩個端子均可輸出PTO/PWM高速脈沖信，脈沖頻率可達20 kHz。根據控制要求，系統擬采用高速脈沖串輸出PTO功能，PTO功能可輸出一定脈沖個數和占空比為50%的方波信號。輸出脈沖的周期以μs或ms為增量單位。PTO功能允許多個脈沖串排隊輸出，從而形成流水線。流水線分為兩種：單段流水線和多段流水線。

 為了消除電機的低頻振蕩，提高分辨率，采用了步進電機細分驅動器，驅動步距角為0.9°/1.8°，脈沖細分數設定為4。為保證速度和定位精度要求，步進電機運行一般要經歷三個過程，即啟動加速、恒速運行和接近定位點時的減速運行。

 為了維護步進電機以及驅動設備，要求驅動脈沖頻率也線性增大，所以，本定位控制系統采用多管線操作，控制電機的運行過程。設直線導軌起始位置在A點，現欲從A點移至D點，其中AD=100 mm。定位精度只與步進電機脈沖當量有關，取脈沖當量為0.11 mm/脈沖，則需要900個脈沖完成定位。步進電機運行過程中，要從A點加速到B點后恒速運行，又從C點開始減速到D點完成定位過程用200個脈沖完成升頻加速，500個脈沖恒速運行，200個脈沖完成降頻減速。

 因此確定PTO為3段脈沖管線(AB，BC，CD)。設****脈沖頻率為1 kHz，將16#A0寫入控制字節SMB67，允許多段PTO脈沖輸出，時基為μs級，建立3段脈沖的包絡表并對各段參數分別設置，給定段的周期增量按下式計算：

 給定段的周期增量=(該段結束時的周期值-該段初始的周期值)/該段脈沖數           

這種控制方式屬于對步進電機的一種開環控制，其優點是結構簡單、成本低、定位準確、易于實現等。

控制系統在設計與實施過程中的注意事項

(1)PLC類型的選擇。首先，PLC必須是可以輸出高速脈沖的晶體管輸出形式。其次，PLC輸出****脈沖頻率大小必須滿足控制要求。

(2)步進電機脈沖細分驅動器的選擇及參數設置。

(3)步進電動機的選擇。首先考慮的是步進電動機的類型選擇，其次才是品種選擇，根據系統要求，確定步進電動機的電壓值、電流值以及有無定位轉矩和使用螺栓機構的定位裝置，從而就可以確定步進電動機的相數和拍數。在進行步進電動機的品種選擇時，要綜合考慮速比i、軸向力F、負載轉矩Ti、額定轉矩TN和運行頻率fy，以確定步進電機的具體規格和控制裝置。

 (4)脈沖當量的計算。