PLC對步進(jìn)電機(jī)的快速精確定位控制

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****）而廣泛應(yīng)用于各種開環(huán)控制。

1定位原理及方案內(nèi)容梗概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：直線升降頻和指數(shù)曲線升降頻。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)內(nèi)容梗概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，****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。
上述例子中，假定電機(jī)的起動(dòng)和結(jié)束頻率是2KHz，****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。