用PLC实现步进电机的快速精确定位

1、用PLC实现步进电机的快速精确定位摘要：在介绍步进电机升降频调速原理及快速精确定位方法的基础上，提出了利用PLC的高 速脉冲输出实现步进电机位置控制功能的方法，给出了精确定位的控制方案及软件实现方法。 关键词：步进电机，PLC，定位，57-200，精确Abstract: This p ap er introduces the theory of sp eed regu l ation and the method of position control quickly and accur at ely for stepp er-motor. It realiz ed accur at ely

2、orientation for stepp er- motor w it h high -p uls e outp ut of PLC.Key w ords : St epp er-mot or PLC， p o sit ion control 5 7-200， accuracy0引言步进电机是一种将电脉冲转化为角位移的执行机构。当步进驱动器接收到一个脉冲信号时 就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度（称为“步距角”），其旋转以固定的角度运 行。可以通过控制脉冲个数来控制角位移量以达到准确定位的目的；同时也可以通过控制脉冲频 率来控制电机转动的速度和加速度而达到调速的目的。步进电机作为一

3、种控制用的特种电机， 因其没有积累误差（精度为100%）而广泛应用于各种开环控制。可编程序控制器（CPLC）是专为在工业环境下应用而设计的一种工业控制计算机，具有抗 干扰能力强、可靠性极高、体积小等显著优点，是实现机电一体化的理想控制装置。通过对步 进电机定位与Siemens PLC的深入研究，本文提出了利用PLC的高速脉冲输出实现步进电机位 置控制功能的有关见解与方法，介绍了步进电机加减速控制原理以及用PLC实现步进电机快速 精确定位的方法，给出了位置控制系统方案及软件设计思路，在实验室内运行通过，对于工矿 企业实现相关步进电机的精确定位控制具有较高的应用与参考价值。1定位原理及方案1. 1

4、步进电机加减速控制原理步进电机驱动执行机构从一个位置向另一个位置移动时，要经历升速、恒速和减速过程。当步进电机的运行频率低于其本身起动频率时，可以用运行频率直接起动并以此频率运行，需要停止时，可从运行频率直接降到零速。当步进电机运行频率fbfa（有载起动时的起动频率） 时，若直接用fb频率起动会造成步进电机失步甚至堵转。同样在fb频率下突然停止时，由于 惯性作用，步进电机会发生过冲，影响定位精度。如果非常缓慢的升降速，步进电机虽然不会 产生失步和过冲现象，但影响了执行机构的工作效率。所以对步进电机加减速要保证在不失步 和过冲前提下，用最快的速度（或最短的时间）移动到指定位置。步进电机常用的升降

5、频控制方法有2种：直线升降频（图1和指数曲线升降频（图2）。指数曲线法具有较强的跟踪能力，但当速度变化较大时平衡性差。直线法平稳性好，适用于速 度变化较大的快速定位方式。以恒定的加速度升降，规律简练，用软件实现比较简单，本文即采用此方法。1. 2定位方案要保证系统的定位精度，脉冲当量即步进电机转一个步距角所移动的距离不能太大，而且 步进电机的升降速要缓慢，以防止产生失步或过冲现象。但这两个因素合在一起带来了 一个突 出问题:定位时间太长，影响执行机构的工作效率。因此要获得高的定位速度，同时又要保证 定位精度，可以把整个定位过程划分为两个阶段:粗定位阶段和精定位阶段。粗定位阶段，采 用较大的脉冲

6、当量，如0. 1 mm/步或1 mm/步，甚至更高。精定位阶段，为了保证定位精度，换 用较小的脉冲当量，如0.01mm/步。虽然脉冲当量变小，但由于精定位行程很短（可定为全行 程的五十分之一左右），并不会影响到定位速度。为了实现此目的，机械方面可通过采用不同 变速机构实现。工业机床控制在工业自动化控制中占有重要位置，定位钻孔是常用工步。设刀具或工作台欲从 A点移至 C点，已知 AC = 200mm，把 AC划分为 AB与BC两段，AB = 196mm BC = 4mmAB段为粗定位行程，采用0. 1 mm/步的脉冲当量依据直线升降频规律快速移动，BC段为精定 位行程，采用O. Olmm/步的脉

7、冲当量，以B点的低频恒速运动完成精确定位。在粗定位结束进入精定位的同时，PLC自动实现变速机构的更换。2定位程序设计2. 1 PLC脉冲输出指令目前较为先进的PLC不仅具有满足顺序控制要求的基本逻辑指令，而且还提供了丰富的功能指令。Siemens 57-200系歹。PLC的PLUS指令在 Q0. 0和 Q0. 1输出PTO或PWM 高速脉冲，最大输出频率为20KHz。脉冲串（C PTO）提供方波输出（50%占空比），用户控制周期和脉冲数。脉冲宽度可调制（PWM酮能提供连续、变占空比输出，用户控制周期和脉冲宽度。本文 采用PTO的多段管线工作方式实现粗定位，PTO的单段管线方式实现精定位，如图3

8、F7,1估祐196o.以Bi汕1：母1er）彳1QRH2网E导扁二坤图3步进电机定位过程图上述例子中，假定电机的起动和结束频率是2KHz，最大脉冲频率是lOKHz。在粗定位过 程中，用200个脉冲完成升频加速，400个脉冲完成降频减速。使用PLC的PTO多段管线脉冲 输出时，用下面的公式计算升降频过程中的脉冲增量值。给定段的周期增量一（ECT-ICT） /Q式中：。丁 =该段结束周期时间ICT =该段初始周期时间利用这个公式，加速部分（第1段）周期增量为2,减速部分（第3段）周期增量为1。因第2段是恒速部分，故周期增量为0。如果PTO的包络表从VB 500开始存放，则表1为上例 的包络表值。

9、TOC o 1-5 h z I11I v存储器地址|值|I11I VB 5 00I 3（总段数）II11I VB501 I 500（初始周期一段 #1） II11I VB 5 03 I 一 2（周期增量一段#1 II11I VB 505 I 200（脉冲数一段 #1） II11I珊509 I 100（初始周期一段#2） II11I VB511 I 0（周期增量一段#2） II11I VF513 I 1360（脉冲数一段 #2） II11I VB5 17 I 100（初始周期一段 #3） II11I VB5 19| 1（周期增量一段#3）|I11|珊521| 00（脉冲数一段#3）|I11表1粗

10、定位的PTO多段管线包络表值2. 2源程序刀主程序LD SM 0. 1 /首次扫描为1R Q0. 0 1 /复位映像寄存器位CALL 0 /调用子程序0,初始化粗定位相关参数LD M0. 0 /粗定位完成R Q0. 0 1CALL 1 /调用子程序1 ,初始化精定位相关参数刀子程序0,粗定位LD SM 0. 0MOVB 16#AO SM B67 /设定控制字：允许PTO操作，选择ms增量，选择多段操作MOVW 500 , SM W168 指定包络表起始地址为V500MOVB 3 VB 500 /设定包络表段数是3MOVW 5 00 ,VW501 /设定第一段初始周期为SOOmsMOVW -2

11、VD 5 03 /设定第一段周期增量为一 2msMOVD 200 , VD 505/设定第一段脉冲个数为200MOVW 100 , VW 5 09 /设定第二段初始周期为100msMOVW 0 VD 5 1 1 /设定第二段周期增量为OmsMOVD 1360 VD 513/设定第二段脉冲个数为1360MOVW 100,VW517 设定第三段初始周期为100msMO VW 1 VD 5 19 /设定第三段周期增量为lmsMOVD 400， VD 5 21/设定第三段脉冲个数为400ATCH 2 19 /定义中断程序2处理PTO完成中断ENI /允许中断PLS 0 /启动PTO操作刀子程序1，精定位LD SM 0. 0 /首次扫描为1MOVB 16#8D SM B67 /允许PTO功能，选择ms增量，设定脉冲数和周期MOVW 5 00， SM W68 /设定精定位周期为SOOmsMOVD 400 SM D72/设定脉冲个数为400ATCH 3 19 /定义中断程序3处理PTO完成中断ENI /允许中断PLS 0 /启动PTO操作刀中断程序2LD SM 0. 0 /一 直为 1=M 0. 0 /启动精定位刀中断程序3LD SM 0. 0 /一 直为 1=M 0. 1 /实现其他功能3结束语实践证明，本文提出的应用PLC控制步进电机实现快速精确定