怎樣進(jìn)行PLC控制伺服電機準確定位？

在自動(dòng)化生產(chǎn)、加工和控制過(guò)程中，經(jīng)常要對加工工件的尺寸或機械設備移動(dòng)的距離進(jìn)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(jìn)入指定的位置，對運動(dòng)的速度無(wú)特殊要求，例如生產(chǎn)過(guò)程中的點(diǎn)位控制(比較典型的如臥式鏜床、坐標鏜床、數控機床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(jìn)電機等伺服電機作為驅動(dòng)或控制元件。實(shí)現定位控制的關(guān)鍵則是對伺服電機的控制。由于可編程控制器(PLC) 是專(zhuān)為在工業(yè)環(huán)境下應用而設計的一種工業(yè)控制計算機，具有抗干擾能力強、可靠性極高、體積小等顯著(zhù)優(yōu)點(diǎn)，是實(shí)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(shí)現準確定位的方法，介紹控制系統在設計與實(shí)施中需要認識與解決的若干問(wèn)題，給出了控制系統參考方案及軟硬件結構的設計思路，對于工業(yè)生產(chǎn)中定位控制的實(shí)現具有較高的實(shí)用與參考價(jià)值。

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(shí)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(yè)生產(chǎn)自動(dòng)控制中可實(shí)現精確定位和測量長(cháng)度。目前，大多數PLC都具有高速計數器功能，例如西門(mén)子 S7-200系列CPU226型PLC有6個(gè)高速計數器。高速計數器可以對脈寬小于PLC主機掃描周期的高速脈沖準確計數，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的脈沖信號。旋轉編碼器則可以將電動(dòng)機軸上的角位移轉換成脈沖值。

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(shí)現的準確定位控制系統，其原理是通過(guò)與電動(dòng)機同軸相連的光電旋轉編碼器將電機角位移轉換成脈沖值，經(jīng)由PLC的高速計數器來(lái)統計編碼器發(fā)出的脈沖個(gè)數，從而實(shí)現定位控制。

1.2 設計與實(shí)施

以對傳輸帶的定位控制設計為例加以說(shuō)明?，F需要用傳輸帶運送貨物，從貨物運送起點(diǎn)到指定位置(終點(diǎn))的距離為10 cm?，F要求當傳輸帶上的貨物運行10 cm后，傳輸帶電機停止運行。該系統硬件設置主要包括西門(mén)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(dòng)輥(由三相交流異步電機拖動(dòng))同軸相連，通過(guò)傳動(dòng)輥帶動(dòng)光電編碼器機械軸轉動(dòng)，輸出脈沖信號，利用PLC的高速計數器指令對編碼器產(chǎn)生的脈沖(采用A相脈沖)個(gè)數進(jìn)行計數，當高速計數器的當前值等于預置值時(shí)產(chǎn)生中斷，經(jīng)變頻器控制電動(dòng)機停止運行，從而實(shí)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(shí)現準確定位控制的關(guān)鍵是對PLC的高速計數器的預置值進(jìn)行設置，高速計數器的預置值即為傳輸帶運行10 cm時(shí)光電編碼器產(chǎn)生的脈沖數。該脈沖數值與傳輸帶運行距離、光電編碼器的每轉脈沖數以及傳動(dòng)輥直徑等參數有關(guān)。該脈沖數可以通過(guò)實(shí)驗測量也可通過(guò)計算得出。計算得出傳輸帶運行10 cm對應的脈沖數為：

脈沖數=[(傳動(dòng)輥直徑(mm)×π÷(脈沖數/轉)]×傳送帶運行距離(mm)

該系統通過(guò)計算得出脈沖數為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，即單路脈沖輸入內部方向控制的增/減計數器。無(wú)啟動(dòng)輸入，使用復位輸入。系統開(kāi)始運行時(shí)，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(xiě)入當前值和預置值，同時(shí)通過(guò)中斷連接指令 ATCH將中斷事件12(即高速計數器的當前值等于預置值中斷)和中斷服務(wù)程序COUNT_EQ連接起來(lái)，并執行ENI指令，全局開(kāi)中斷。當高速計數器的當前值等于預置值時(shí)，執行中斷服務(wù)程序，將SMD42的值清零，再次執行HSC指令重新對高速計數器寫(xiě)入當前值和預置值，同時(shí)使M0.0置位，電動(dòng)機停止運行。

2 利用PLC的高速脈沖指令控制步進(jìn)電機實(shí)現準確定位

2.1 系統工作原理

步進(jìn)電機因其具有結構簡(jiǎn)單、控制方便、轉動(dòng)慣量低、定位精度高、無(wú)累積誤差和成本低廉等優(yōu)點(diǎn)而成為工業(yè)控制的主要執行元件，尤其是在精確定位場(chǎng)合中得到廣泛應用。在工業(yè)生產(chǎn)中，步進(jìn)電機和生產(chǎn)機械的連接有很多種，常見(jiàn)的一種是步進(jìn)電機和絲杠連接，將步進(jìn)電機的旋轉運動(dòng)轉變成工作臺面的直線(xiàn)運動(dòng)。當需要對工作臺面移動(dòng)距離進(jìn)行定位控制時(shí)，只需要控制步進(jìn)電機的轉速和角位移大小即可。在非超載的情況下，步進(jìn)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(shí)現步進(jìn)電機反轉。

目前世界上主要的 PLC廠(chǎng)家生產(chǎn)的PLC均有專(zhuān)門(mén)的高速脈沖輸出指令，可以很方便地和步進(jìn)電機構成運動(dòng)定位控制系統。由PLC高速脈沖指令控制步進(jìn)電機實(shí)現準確定位的實(shí)質(zhì)是PLC通過(guò)高速脈沖輸出指令PTO/PWM輸出高速脈沖信號，經(jīng)步進(jìn)電機脈沖細分驅動(dòng)器控制步進(jìn)電機的運行，從而推動(dòng)工作臺移動(dòng)到達指定的位置，實(shí)現準確定位。工作臺移動(dòng)的距離與PLC脈沖數之間的關(guān)系為：

式中：N為PLC發(fā)出的控制脈沖的個(gè)數;n為步進(jìn)電機驅動(dòng)器的脈沖細分數(如果步進(jìn)電機驅動(dòng)器有脈沖細分驅動(dòng));θ為步進(jìn)電機的布距角，即步進(jìn)電機每收到一個(gè)脈沖變化，軸所轉過(guò)的角度;d為絲杠的螺紋距，它決定了絲杠每轉過(guò)一圈，工作臺面前進(jìn)的距離;δ為脈沖當量(定位精度);i為傳動(dòng)速比;L為工作臺移動(dòng)的距離。

顯然，利用PLC控制步進(jìn)電機實(shí)現準確定位的關(guān)鍵是對PLC產(chǎn)生的脈沖數的設定。而脈沖數與脈沖當量、傳動(dòng)速比、步進(jìn)電機驅動(dòng)器的細分數以及脈沖頻率等都有關(guān)。

2.2 設計與實(shí)施

以貨物倉儲系統中的對直線(xiàn)導軌的定位控制設計為例加以說(shuō)明。在倉儲系統中，要求由步進(jìn)電機拖動(dòng)直線(xiàn)導軌將料塊送到指定的倉庫門(mén)口。假設從起點(diǎn)到終點(diǎn)的運送距離為100 mm，即要求由步進(jìn)電機帶動(dòng)導軌作直線(xiàn)運動(dòng)，定位距離為100 mm。為實(shí)現準確定位，系統采用西門(mén)子S7-200系列CPU226型PLC、四通57BYG250C混合式步進(jìn)電機和森創(chuàng )SH-20403步進(jìn)電機驅動(dòng)器等設備。其中CPU226型PLC的CPU有兩個(gè)脈沖發(fā)生器，分別是Q0.0端子和Q0.1端子。這兩個(gè)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(gè)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(gè)脈沖串排隊輸出，從而形成流水線(xiàn)。流水線(xiàn)分為兩種：?jiǎn)味瘟魉€(xiàn)和多段流水線(xiàn)。