怎樣進行PLC控制伺服電機準確定位?

在自動化生產、加工和控制過程中，經常要對加工工件的尺寸或機械設備移動的距離進行準確定位控制。這種定位控制僅僅要求控制對象按指令進入指定的位置，對運動的速度無特殊要求，例如生產過程中的點位控制(比較典型的如臥式鏜床、坐標鏜床、數控工具機等在切削加工前刀具的定位)，倉儲系統中對傳送帶的定位控制，機械手的軸定位控制等等。在定位控制系統中常使用交流異步電機或步進電機等伺服電機作為驅動或控制元件。實現定位控制的關鍵則是對伺服電機的控制。由於可編程控制器(PLC) 是專為在工業環境下應用而設計的一種工業控制計算機，具有抗幹擾能力強、可靠性極高、體積小等顯著優點，是實現機電一體化的理想控制裝置。本文旨在闡述利用PLC控制伺服電機實現準確定位的方法，介紹控制系統在設計與實施中需要認識與解決的若干問題，給出了控制系統參考方案及軟硬體結構的設計思路，對於工業生產中定位控制的實現具有較高的實用與參考價值。

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1 利用PLC的高速計數器指令和旋轉編碼器控制三相交流異步電機實現的準確定位

1.1 系統工作原理

PLC的高速計數器指令和編碼器的配合使用，在現代工業生產自動控制中可實現精確定位和測量長度。目前，大多數PLC都具有高速計數器功能，例如西門子 S7-200系列CPU226型PLC有6個高速計數器。高速計數器可以對脈寬小於PLC主機掃描周期的高速脈衝準確計數，不需要增加特殊功能單元就可以處理頻率高達幾十或上百kHz的脈衝信號。旋轉編碼器則可以將電動機軸上的角位移轉換成脈衝值。

利用PLC的高速計數器指令和編碼器控制三相交流異步電機實現的準確定位控制系統，其原理是通過與電動機同軸相連的光電旋轉編碼器將電機角位移轉換成脈衝值，經由PLC的高速計數器來統計編碼器發出的脈衝個數，從而實現定位控制。

1.2 設計與實施

以對傳輸帶的定位控制設計為例加以說明。現需要用傳輸帶運送貨物，從貨物運送起點到指定位置(終點)的距離為10 cm。現要求當傳輸帶上的貨物運行10 cm後，傳輸帶電機停止運行。該系統硬體設置主要包括西門子S7-200CPU226型PLC、傳輸帶電機(三相交流異步電機)、OMRON的E6A2- CW5W光電旋轉編碼器、松下VFO系列BFV00042GK變頻器等。該系統的工作原理是將光電編碼器的機械軸和傳動輥(由三相交流異步電機拖動)同軸相連，通過傳動輥帶動光電編碼器機械軸轉動，輸出脈衝信號，利用PLC的高速計數器指令對編碼器產生的脈衝(採用A相脈衝)個數進行計數，當高速計數器的當前值等於預置值時產生中斷，經變頻器控制電動機停止運行，從而實現傳輸帶運行距離的準確定位控制。很顯然，該控制系統中實現準確定位控制的關鍵是對PLC的高速計數器的預置值進行設置，高速計數器的預置值即為傳輸帶運行10 cm時光電編碼器產生的脈衝數。該脈衝數值與傳輸帶運行距離、光電編碼器的每轉脈衝數以及傳動輥直徑等參數有關。該脈衝數可以通過實驗測量也可通過計算得出。計算得出傳輸帶運行10 cm對應的脈衝數為：

脈衝數=[(傳動輥直徑(mm)×π÷(脈衝數/轉)]×傳送帶運行距離(mm)

該系統通過計算得出脈衝數為100，則高速計數器的預置值即為100。

在子程序中，將高速計數器HSC0設置為模式1，即單路脈衝輸入內部方向控制的增/減計數器。無啟動輸入，使用復位輸入。系統開始運行時，調用子程序 HSC_INIT，其目的是初始化HSC0，將其控制字節SMB37數據設置為16#F8，對高速計數器寫入當前值和預置值，同時通過中斷連接指令 ATCH將中斷事件12(即高速計數器的當前值等於預置值中斷)和中斷服務程序COUNT_EQ連接起來，並執行ENI指令，全局開中斷。當高速計數器的當前值等於預置值時，執行中斷服務程序，將SMD42的值清零，再次執行HSC指令重新對高速計數器寫入當前值和預置值，同時使M0.0置位，電動機停止運行。

2 利用PLC的高速脈衝指令控制步進電機實現準確定位

2.1 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槓連接，將步進電機的旋轉運動轉變成工作檯面的直線運動。當需要對工作檯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於脈衝信號的頻率和脈衝數。它輸出的角位移與輸入的脈衝數成正比，轉速與脈衝頻率成正比。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均有專門的高速脈衝輸出指令，可以很方便地和步進電機構成運動定位控制系統。由PLC高速脈衝指令控制步進電機實現準確定位的實質是PLC通過高速脈衝輸出指令PTO/PWM輸出高速脈衝信號，經步進電機脈衝細分驅動器控制步進電機的運行，從而推動工作檯移動到達指定的位置，實現準確定位。工作檯移動的距離與PLC脈衝數之間的關係為：

式中：N為PLC發出的控制脈衝的個數;n為步進電機驅動器的脈衝細分數(如果步進電機驅動器有脈衝細分驅動);θ為步進電機的布距角，即步進電機每收到一個脈衝變化，軸所轉過的角度;d為絲槓的螺紋距，它決定了絲槓每轉過一圈，工作檯面前進的距離;δ為脈衝當量(定位精度);i為傳動速比;L為工作檯移動的距離。

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

2.2 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，系統採用西門子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有兩個脈衝發生器，分別是Q0.0端子和Q0.1端子。這兩個端子均可輸出PTO/PWM高速脈衝信，脈衝頻率可達20 kHz。根據控制要求，系統擬採用高速脈衝串輸出PTO功能，PTO功能可輸出一定脈衝個數和佔空比為50%的方波信號。輸出脈衝的周期以μs或ms為增量單位。PTO功能允許多個脈衝串排隊輸出，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。