摘 要：在介紹步進電機升降頻調(diào)速原理及快速精確定位方法的基礎(chǔ)上，提出了利用PLC的高速脈沖輸出實現(xiàn)步進電機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現(xiàn)方法。
關(guān)鍵詞：步進電機，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
步進電機是一種將電脈沖轉(zhuǎn)化為角位移的執(zhí)行機構(gòu)。當步進驅(qū)動器接收到一個脈沖信號時就驅(qū)動步進電機按設(shè)定的方向轉(zhuǎn)動一個固定的角度（稱為“步距角”），其旋轉(zhuǎn)以固定的角度運行。可以通過控制脈沖個數(shù)來控制角位移量以達到準確定位的目的;同時也可以通過控制脈沖頻率來控制電機轉(zhuǎn)動的速度和加速度而達到調(diào)速的目的。步進電機作為一種控制用的特種電機，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、體積小等顯著優(yōu)點，是實現(xiàn)機電一體化的理想控制裝置。通過對步進電機定位與Siemens PLC的深入研究，本文提出了利用PLC的高速脈沖輸出實現(xiàn)步進電機位置控制功能的有關(guān)見解與方法，介紹了步進電機加減速控制原理以及用PLC實現(xiàn)步進電機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)計思路，在實驗室內(nèi)運行通過，對于工礦企業(yè)實現(xiàn)相關(guān)步進電機的精確定位控制具有較高的應(yīng)用與參考價值。
1 定位原理及方案
1.1 步進電機加減速控制原理
步進電機驅(qū)動執(zhí)行機構(gòu)從一個位置向另一個位置移動時，要經(jīng)歷升速、恒速和減速過程。當步進電機的運行頻率低于其本身起動頻率時，可以用運行頻率直接起動并以此頻率運行，需要停止時，可從運行頻率直接降到零速。當步進電機運行頻率fb>fa（有載起動時的起動頻率）時，若直接用fb頻率起動會造成步進電機失步甚至堵轉(zhuǎn)。同樣在fb頻率下突然停止時，由于慣性作用，步進電機會發(fā)生過沖，影響定位精度。如果非常緩慢的升降速，步進電機雖然不會產(chǎn)生失步和過沖現(xiàn)象，但影響了執(zhí)行機構(gòu)的工作效率。所以對步進電機加減速要保證在不失步和過沖前提下，用最快的速度（或最短的時間）移動到指定位置。
步進電機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)曲線法具有較強的跟蹤能力，但當速度變化較大時平衡性差。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，脈沖當量即步進電機轉(zhuǎn)一個步距角所移動的距離不能太大，而且步進電機的升降速要緩慢，以防止產(chǎn)生失步或過沖現(xiàn)象。但這兩個因素合在一起帶來了一個突出問題：定位時間太長，影響執(zhí)行機構(gòu)的工作效率。因此要獲得高的定位速度，同時又要保證定位精度，可以把整個定位過程劃分為兩個階段：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，換用較小的脈沖當量，如0.01mm/步。雖然脈沖當量變小，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。為了實現(xiàn)此目的，機械方面可通過采用不同變速機構(gòu)實現(xiàn)。
工業(yè)機床控制在工業(yè)自動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點移至C點，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/步的脈沖當量依據(jù)直線升降頻規(guī)律快速移動，BC段為精定位行程，采用 0.01mm/步的脈沖當量，以B點的低頻恒速運動完成精確定位。在粗定位結(jié)束進入精定位的同時，PLC自動實現(xiàn)變速機構(gòu)的更換。
2 定位程序設(shè)計
2.1 PLC脈沖輸出指令
目前較為先進的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現(xiàn)粗定位，PTO的單段管線方式實現(xiàn)精定位，如圖3。
圖3 步進電機定位過程圖
上述例子中，假定電機的起動和結(jié)束頻率是2KHz，最大脈沖頻率是10KHz。在粗定位過程中，用200個脈沖完成升頻加速，400個脈沖完成降頻減速。使用PLC的PTO多段管線脈沖輸出時，用下面的公式計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)束周期時間
ICT=該段初始周期時間
利用這個公式，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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