PLC控制伺服電機準確定位的方法

　　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)。

　　為了消除電機的低頻振蕩，提高分辨率，采用了步進(jìn)電機細分驅動(dòng)器，驅動(dòng)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(jìn)電機運行一般要經(jīng)歷三個(gè)過(guò)程，即啟動(dòng)加速、恒速運行和接近定位點(diǎn)時(shí)的減速運行。為了維護步進(jìn)電機以及驅動(dòng)設備，要求驅動(dòng)脈沖頻率也線(xiàn)性增大，所以，本定位控制系統采用多管線(xiàn)操作，控制電機的運行過(guò)程。設直線(xiàn)導軌起始位置在A(yíng)點(diǎn)，現欲從A點(diǎn)移至D點(diǎn)，其中AD=100 mm。定位精度只與步進(jìn)電機脈沖當量有關(guān)，取脈沖當量為0.11 mm/脈沖，則需要900個(gè)脈沖完成定位。步進(jìn)電機運行過(guò)程中，要從A點(diǎn)加速到B點(diǎn)后恒速運行，又從C點(diǎn)開(kāi)始減速到D點(diǎn)完成定位過(guò)程用200個(gè)脈沖完成升頻加速，500個(gè)脈沖恒速運行，200個(gè)脈沖完成降頻減速。如圖2所示。