PLC控制伺服电机准确定位的方法

 

　　在自动化生产、加工和控制过程中，经常要对加工工件的尺寸或机械设备移动的距离进行准确定位控制。这种定位控制仅仅要求控制对象按指令进入指定的位置，对运动的速度无特殊要求，例如生产过程中的点位控制(比较典型的如卧式镗床、坐标镗床、数控机床等在切削加工前刀具的定位)，仓储系统中对传送带的定位控制，机械手的轴定位控制等等。在定位控制系统中常使用交流异步电机或步进电机等伺服电机作为驱动或控制元件。实现定位控制的关键则是对伺服电机的控制。由于可编程控制器(PLC)是专为在工业环境下应用而设计的一种工业控制计算机，具有抗干扰能力强、可靠性极高、体积小等显著优点，是实现机电一体化的理想控制装置。本文旨在阐述利用PLC控制伺服电机实现准确定位的方法，介绍控制系统在设计与实施中需要认识与解决的若干问题，给出了控制系统参考方案及软硬件结构的设计思路，对于工业生产中定位控制的实现具有较高的实用与参考价值。

　　1 利用PLC的高速计数器指令和旋转编码器控制三相交流异步电机实现的准确定位

　　1.1 系统工作原理

　　PLC的高速计数器指令和编码器的配合使用，在现代工业生产自动控制中可实现精确定位和测量长度。目前，大多数PLC都具有高速计数器功能，例如西门子S7-200系列CPU226型PLC有6个高速计数器。高速计数器可以对脉宽小于PLC主机扫描周期的高速脉冲准确计数，不需要增加特殊功能单元就可以处理频率高达几十或上百kHz的脉冲信号。旋转编码器则可以将电动机轴上的角位移转换成脉冲值。

　　利用PLC的高速计数器指令和编码器控制三相交流异步电机实现的准确定位控制系统，其原理是通过与电动机同轴相连的光电旋转编码器将电机角位移转换成脉冲值，经由PLC的高速计数器来统计编码器发出的脉冲个数，从而实现定位控制。

　　1.2 设计与实施

　　以对传输带的定位控制设计为例加以说明。现需要用传输带运送货物，从货物运送起点到指定位置(终点)的距离为10 cm。现要求当传输带上的货物运行10 cm后，传输带电机停止运行。该系统硬件设置主要包括西门子S7-200CPU226型PLC、传输带电机(三相交流异步电机)、OMRON的E6A2-CW5W光电旋转编码器、松下VFO系列BFV00042GK变频器等。该系统的工作原理是将光电编码器的机械轴和传动辊(由三相交流异步电机拖动)同轴相连，通过传动辊带动光电编码器机械轴转动，输出脉冲信号，利用PLC的高速计数器指令对编码器产生的脉冲(采用A相脉冲)个数进行计数，当高速计数器的当前值等于预置值时产生中断，经变频器控制电动机停止运行，从而实现传输带运行距离的准确定位控制。很显然，该控制系统中实现准确定位控制的关键是对PLC的高速计数器的预置值进行设置，高速计数器的预置值即为传输带运行10 cm时光电编码器产生的脉冲数。该脉冲数值与传输带运行距离、光电编码器的每转脉冲数以及传动辊直径等参数有关。该脉冲数可以通过实验测量也可通过计算得出。计算得出传输带运行10 cm对应的脉冲数为：

　　脉冲数=[(传动辊直径(mm)×π÷(脉冲数/转)]×传送带运行距离(mm)

　　该系统通过计算得出脉冲数为100，则高速计数器的预置值即为100。参考程序如图1所示。

　　

 

　　在子程序中，将高速计数器HSC0设置为模式1，即单路脉冲输入内部方向控制的增/减计数器。无启动输入，使用复位输入。系统开始运行时，调用子程序HSC_INIT，其目的是初始化HSC0，将其控制字节SMB37数据设置为16#F8，对高速计数器写入当前值和预置值，同时通过中断连接指令ATCH将中断事件12(即高速计数器的当前值等于预置值中断)和中断服务程序COUNT_EQ连接起来，并执行ENI指令，全局开中断。当高速计数器的当前值等于预置值时，执行中断服务程序，将SMD42的值清零，再次执行HSC指令重新对高速计数器写入当前值和预置值，同时使M0.0置位，电动机停止运行。

　　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。

　　

 

　　这种控制方式属于对步进电机的一种开环控制，其优点是结构简单、成本低、定位准确、易于实现等。

　　2.3 控制系统在设计与实施过程中的注意事项

　　(1)PLC类型的选择。首先，PLC必须是可以输出高速脉冲的晶体管输出形式。其次，PLC输出最高脉冲频率大小必须满足控制要求。

　　(2)步进电机脉冲细分驱动器的选择及参数设置。

　　(3)步进电动机的选择。首先考虑的是步进电动机的类型选择，其次才是品种选择，根据系统要求，确定步进电动机的电压值、电流值以及有无定位转矩和使用螺栓机构的定位装置，从而就可以确定步进电动机的相数和拍数。在进行步进电动机的品种选择时，要综合考虑速比i、轴向力F、负载转矩Ti、额定转矩TN和运行频率fy，以确定步进电机的具体规格和控制装置。

　　(4)脉冲当量的计算。

　　3 利用PLC的其他方式实现的准确定位

　　3.1 利用PLC的PID指令及软、硬件配合实现准确定位

　　例如在气缸精确定位控制系统中，由PLC、电磁阀、光栅尺、气缸组成一个闭环控制系统。其中PLC作为控制运算中心，光栅尺作为检测装置检测气缸活塞移动量，并将检测结果通过PLC的模拟量输入端子反馈到PLC内部，与设定值比较，并进行PID调节，PID运算结果通过PLC的继电器输出接口驱动交流或直流电磁阀，由电磁阀的开关改变气缸活塞移动的流量，使气缸准确运动到目标位置，达到准确定位的目的。

　　3.2 利用PLC的EM253模块实现的准确定位

　　EM253位控模块是S7-200的特殊功能模块，它能够产生脉冲串，用于步进电机和伺服电机的速度和位置开环控制。它与S7-200系列PLC通过扩展的I/O总线通讯。它带有八个数字输出，在I/O的组态中作为智能模块，可提供单轴、开环移动控制所需要的功能和性能。提供高速控制，12～200 000脉冲/s。STEP7-Micro/WIN为位置控制模块的组态和编程提供了位置控制向导，可以生成组态/包络表和位置控制指令，配置EM253的运动参数、运动轨迹包络等。

　　4 结语

　　实践证明，本文提出的由PLC、旋转编码器、伺服电机等组成的准确定位控制系统具有结构简单、性价比高、易于实现等优点，可广泛地应用于工业生产及军事领域。如板材的精确定长切割、军用雷达定位系统，丝网印刷机停机控制、以及在数控机床、物料计量、送膜包装等用异步电机或步进电机实现的定位控制领域有一定的实用和参考价值。