用PLC實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)的快速精確定位
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(dòng)器接收到一個(gè)脈沖信號(hào)時(shí)就驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)按設(shè)定的方向轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)固定的角度（稱為“步距角”），其旋轉(zhuǎn)以固定的角度運(yùn)行。可以通過(guò)控制脈沖個(gè)數(shù)來(lái)控制角位移量以達(dá)到準(zhǔn)確定位的目的;同時(shí)也可以通過(guò)控制脈沖頻率來(lái)控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)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(méi)有積累誤差（精度為100%）而廣泛應(yīng)用于各種開環(huán)控制。
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(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)從一個(gè)位置向另一個(gè)位置移動(dòng)時(shí)，要經(jīng)歷升速、恒速和減速過(guò)程。當(dāng)步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)行頻率低于其本身起動(dòng)頻率時(shí)，可以用運(yùn)行頻率直接起動(dòng)并以此頻率運(yùn)行，需要停止時(shí)，可從運(yùn)行頻率直接降到零速。當(dāng)步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行頻率fb>fa（有載起動(dòng)時(shí)的起動(dòng)頻率）時(shí)，若直接用fb頻率起動(dòng)會(huì)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(shí)，由于慣性作用，步進(jìn)電機(jī)會(huì)發(fā)生過(guò)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(huì)產(chǎn)生失步和過(guò)沖現(xiàn)象，但影響了執(zhí)行機(jī)構(gòu)的工作效率。所以對(duì)步進(jìn)電機(jī)加減速要保證在不失步和過(guò)沖前提下，用最快的速度（或最短的時(shí)間）移動(dòng)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（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(shí)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(jiǎn)練，用軟件實(shí)現(xiàn)比較簡(jiǎn)單，本文即采用此方法。
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(gè)步距角所移動(dòng)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(guò)沖現(xiàn)象。但這兩個(gè)因素合在一起帶來(lái)了一個(gè)突出問(wèn)題：定位時(shí)間太長(zhǎng)，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(shí)又要保證定位精度，可以把整個(gè)定位過(guò)程劃分為兩個(gè)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。精定位階段，為了保證定位精度，換用較小的脈沖當(dāng)量，如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(huì)影響到定位速度。為了實(shí)現(xiàn)此目的，機(jī)械方面可通過(guò)采用不同變速機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)。
工業(yè)機(jī)床控制在工業(yè)自動(dòng)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(tái)欲從A點(diǎn)移至C點(diǎn)，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(dòng)，BC段為精定位行程，采用0.01mm/步的脈沖當(dāng)量，以B點(diǎn)的低頻恒速運(yùn)動(dòng)完成精確定位。在粗定位結(jié)束進(jìn)入精定位的同時(shí)，PLC自動(dòng)實(shí)現(xiàn)變速機(jī)構(gòu)的更換。
2 定位程序設(shè)計(jì)
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(shí)現(xiàn)粗定位，PTO的單段管線方式實(shí)現(xiàn)精定位，如圖3。
圖3 步進(jìn)電機(jī)定位過(guò)程圖
上述例子中，假定電機(jī)的起動(dòng)和結(jié)束頻率是2KHz，最大脈沖頻率是10KHz。在粗定位過(guò)程中，用200個(gè)脈沖完成升頻加速，400個(gè)脈沖完成降頻減速。使用PLC的PTO多段管線脈沖輸出時(shí)，用下面的公式計(jì)算升降頻過(guò)程中的脈沖增量值。
給定段的周期增量=（ECT—ICT）/Q
式中：ECT=該段結(jié)束周期時(shí)間
ICT=該段初始周期時(shí)間
利用這個(gè)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為上例的包絡(luò)表值。
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1
R 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
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 SM0.0
MOVB 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V500
MOVB 3，VB500 //設(shè)定包絡(luò)表段數(shù)是3
MOVW 500，VW501 //設(shè)定第一段初始周期為500ms
MOVW -2，VD503 //設(shè)定第一段周期增量為-2ms
MOVD 200，VD505 //設(shè)定第一段脈沖個(gè)數(shù)為200
MOVW 100，VW509 //設(shè)定第二段初始周期為100ms
MOVW 0，VD511 //設(shè)定第二段周期增量為0ms
MOVD 1360，VD513 //設(shè)定第二段脈沖個(gè)數(shù)為1360
MOVW 100，VW517 //設(shè)定第三段初始周期為100ms
MOVW 1，VD519 //設(shè)定第三段周期增量為1ms
MOVD 400，VD521 //設(shè)定第三段脈沖個(gè)數(shù)為400
ATCH 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(dòng)PTO操作
//子程序1，精定位
LD SM0.0 //首次掃描為1
MOVB 16#8D，SMB67 //允許PTO功能，選擇ms增量，設(shè)定脈沖數(shù)和周期
MOVW 500，SMW68 //設(shè)定精定位周期為500ms
MOVD 400，SMD72 //設(shè)定脈沖個(gè)數(shù)為400
ATCH 3，19 //定義中斷程序3處理PTO完成中斷
ENI //允許中斷
PLS 0 //啟動(dòng)PTO操作
//中斷程序2
LD SM0.0 //一直為1
= M0.0 //啟動(dòng)精定位
//中斷程序3
LD SM0.0 //一直為1
= M0.1 //實(shí)現(xiàn)其他功能
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