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控制系統(tǒng)

用PLC實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)的快速精確定位

星之球激光 來源:中國自動(dòng)化網(wǎng)2011-12-17 我要評(píng)論(0 )   

摘 要: 在介紹步進(jìn)電機(jī)升降頻調(diào)速原理及快速精確定位方法的基礎(chǔ)上,提出了利用PLC的高速脈沖輸出實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)位置控制功能的方法,給出了精確定位的控制方案及軟件實(shí)現(xiàn)...

摘 要:在介紹步進(jìn)電機(jī)升降頻調(diào)速原理及快速精確定位方法的基礎(chǔ)上,提出了利用PLC的高速脈沖輸出實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)位置控制功能的方法,給出了精確定位的控制方案及軟件實(shí)現(xiàn)方法。

關(guān)鍵詞:步進(jìn)電機(jī),PLC,定位,S7-200,精確

Abstract:This paper introduces the theory of speed regulation and the method of position control quickly and accurately for stepper-motor. It realized accurately orientation for stepper-motor with high-pulse output of PLC.

Keywords:Stepper-motor,PLC,position control,S7-200,accuracy

0 引言

  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??梢酝ㄟ^控制脈沖個(gè)數(shù)來控制角位移量以達(dá)到準(zhǔn)確定位的目的;同時(shí)也可以通過控制脈沖頻率來控制電機(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),因其沒有積累誤差(精度為100%)而廣泛應(yīng)用于各種開環(huán)控制。

  可編程序控制器(PLC)是專為在工業(yè)環(huán)境下應(yīng)用而設(shè)計(jì)的一種工業(yè)控制計(jì)算機(jī),具有抗干擾能力強(qiáng)、可靠性極高、體積小等顯著優(yōu)點(diǎn),是實(shí)現(xiàn)機(jī)電一體化的理想控制裝置。通過對(duì)步進(jìn)電機(jī)定位與Siemens PLC的深入研究,本文提出了利用PLC的高速脈沖輸出實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)位置控制功能的有關(guān)見解與方法,介紹了步進(jìn)電機(jī)加減速控制原理以及用PLC實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)快速精確定位的方法,給出了位置控制系統(tǒng)方案及軟件設(shè)計(jì)思路,在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)運(yùn)行通過,對(duì)于工礦企業(yè)實(shí)現(xiàn)相關(guān)步進(jìn)電機(jī)的精確定位控制具有較高的應(yīng)用與參考價(jià)值。

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)律簡練,用軟件實(shí)現(xiàn)比較簡單,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)生失步或過沖現(xiàn)象。但這兩個(gè)因素合在一起帶來了一個(gè)突出問題:定位時(shí)間太長,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)

 

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