第九章 定位控制

第九章定位控制一、运动控制简介二、运动控制与步进电机三、光栅尺四、基于PLC与步进电机的小车自动往返控制五、基于PLC与步进电机的位置闭环控制一、运动控制简介1）.以大地坐标系为基本数学模型，为组合型1-4轴的直角坐标机器人、单轴机械手提供控制功能，可通过示教编程对运动轨迹进行程序序列的创建和修改，具备插补功能，同时可以逻辑化的整合多路IO扩展点以及大地坐标系外的运动轴。2）在数学坐标系中，可以为非组合型的1-3轴模组电机系统提供控制方案，通过对各轴（在系统中被定义为外轴）进行独立的参数设置及示教编程，既可实现各轴的独立运行，又可设定逻辑联动，同样也可以逻辑化的整合多路IO扩展点。3）多工位运动控制子系统的组合与联动：用户可以使用该系统构建多个1-4轴运动控制子系统，并整合成为一个大系统。这其中，各子系统可以通过I/O通讯的方式实现多机位联动，如统一生产节拍、报警急停等，使该系统既保持模块化的结构，又统一成有机的整体。单速定位DRVI：相对定位指令DRVA：绝对定位指令双速定位10GM是通过连续执行直线插补指令(LIN)以实现多段速运行20GM只有在两轴同步模式下才能执行多段速运行多段速运行中断单速定位DVIT：中断单速定位指令表格设定定位直线插补圆弧插补FX系列晶体管输出型的基本单元内置了高速脉冲输出功能，可以进行简单的定位控制。其脉冲的输出格式为：脉冲+方向。

FX1S,FX1N：2路(Y0,Y1)Max.100kHz(10Hz～100kHz)

FX3U,FX3UC：3路(Y0,Y1,Y2)Max.100kHz(10Hz～100kHz)在FX3U上使用2个FX3U-2HSY-ADP时：Max.200kHz4路(Y0,Y1,Y2,Y3),

可通过开关进行脉冲输出格式(脉冲+方向或者正/反向脉冲)的切换。配备有专门的定位指令。表格设定定位(仅FX3U(C))DTBL中断定位(仅FX3U(C))DVIT可变速脉冲输出PLSV绝对定位DRVA相对定位DRVI读取ABS当前值

ABS带DOG搜索的原点回归(仅FX3U(C))DSZRFX2N-10GM定位单元FX2N-10GM可以独立工作或者作为PLC的扩展单元使用具备绝对位置检测功能可以连接集电极开路型(NPN)的手动脉冲发生器(最大2KHz)可以使用定位专用语言(COD指令)和顺控语言或者利用表方法(最大100点)来创建定位程序,也可以通过PLC顺控程序(FROM和TO指令)来编写控制程序使用专用于定位单元的软件(FX-PCS-VPS/WIN-E)来编程,也可以使用示教面板(E-20TP)来编程可以输出最大200KHz的高速脉冲脉冲输出格式为：脉冲+方向或者正/反向脉冲FX2N-10GM可以控制1个轴FX2N-10GM自带4点输入和6点输出FX2N-10GM内置3.8K步内存(EEPROM)(1轴，1Hz～200kHz)FX2N-20GM定位单元FX2N-20GM可以独立工作或者作为PLC的扩展单元使用具备绝对位置检测功能可以连接集电极开路型(NPN)的手动脉冲发生器(最大2KHz)可以使用定位专用语言(COD指令)和顺控语言编写定位程序,也可以通过PLC顺控程序(FROM和TO指令)来编写控制程序使用专用于定位单元的软件(FX-PCS-VPS/WIN-E)来编程,也可以使用示教面板(E-20TP)来编程可以输出最大200KHz的高速脉冲(插补运行时最大为100KHz)脉冲输出格式为：脉冲+方向或者正/反向脉冲FX2N-20GM可以控制2个轴(两轴独立或同步)FX2N-20GM进行两轴同步控制时,可以使用直线插补、圆弧插补功能实现复杂的定位控制FX2N-20GM自带8点输入和8点输出FX2N-20GM内置7.8K步内存(RAM)(2轴，1Hz～200kHz)二、运动控制与步进电机1、运动控制

（1）运动控制系统简介运动控制系统是一门有关如何对物体位置和速度进行精密控制的技术，典型的运动控制系统由三部分组成：控制部分、驱动部分和执行部分。

步进电机的运行要有一电子装置进行驱动，这种装置就是步进电机驱动器，它是把控制系统发出的脉冲信号，加以放大以驱动步进电机。步进电机的转速与脉冲信号的频率成正比，控制步进电机脉冲信号的频率，可以对电机精确调速；控制步进脉冲的个数，可以对电机精确定位。（2）常用术语

步进角：每输入一个电脉冲信号时转子转过的角度称为步进角。步进角的大小可直接影响电机的运行精度。

整步：最基本的驱动方式，这种驱动方式的每个脉冲使电机移动一个基本步矩角。例如：标准两相电机的一圈共有200个步矩角，则整步驱动方式下，每个脉冲使电机移动1.8°。

半步：在单相激磁时，电机转轴停至整步位置上，驱动器收到下一个脉冲后，如给另一相激磁且保持原来相继续处在激磁状态，则电机转轴将移动半个基本步矩角，停在相邻两个整步位置的中间。如此循环地对两相线圈进行单相然后两相激磁，步进电机将以每个脉冲半个基本步矩角的方式转动。

细分：细分就是指电机运行时的实际步矩角是基本步矩角的几分之一。如：驱动器工作在10细分状态时，其步矩角只为电机固有步矩角的十分之一，也就是说：当驱动器工作在不细分的整步状态时，控制系统每发一个步进脉冲，电机转动1.8°，而用细分驱动器工作在10细分状态时，电机只转动了0.18°。细分功能完全是由驱动器靠精度控制电机的相电流所产生的，与电机无关。2、步进电机

（1）步进电机的选型

a、驱动器的电流。电流是判断驱动器能力大小的依据，是选择驱动器的重要指标之一，通常驱动器的最大额定电流要略大于电机的额定电流，通常驱动器有2.0、35、6.0和8.0A。

b、驱动器的供电电压。供电电压是判断驱动器升速能力的标志，常规电压供给有24V（DC）、40V（DC）、60V（DC）、80V（DC）、110V（AC）、220V（AC）等。

c、驱动器的细分。细分是控制精度的标志，通过增大细分能改善精度。步进电机都有低频振荡的特点，如果电机需要工作在低频共振区工作，细分驱动器是很好的选择。此外，细分和不细分相比，输出转矩对各种电机都有不同程度的提升。（2）步进电机驱动器本系统中采用两相混合式步进电机驱动器YKA2404MC细分驱动器，其外形如图所示。

（3）步进电机驱动器的端子与接线（4）．步进电机驱动器的细分设定YKA2404MC步进电机驱动器共有6个细分设定开关。三、光栅尺光栅尺位移传感器（简称光栅尺），是利用光栅的光学原理工作的测量反馈装置。光栅尺位移传感器经常应用于数控机床的闭环伺服系统中，可用作直线位移或者角位移的检测。光栅尺是用来检测位移的元件，下面以型号为KA-300为例介绍光栅尺的使用。该光栅尺输出信号为脉冲信号，通过PLC对该高速脉冲进行高速计数即可实现位移的检测。KA-300光栅尺的参数，该光栅尺在物理位置上有三个Z相脉冲输出点，相临两点的距离为50mm，Z相每发出一个脉冲，A相或B相就发出2500个脉冲。可通过A相与B相的超前与滞后来分析物体运行的方向。通过PLC对A相或B相的脉冲计数就可以计算出物体所在的位置。A相、B相正交脉冲与Z相脉冲波形图如图所示，在该图中，A相脉冲超前于B相脉冲。光栅尺与PLC按如图进行连接。四、例子：步进电机正反转控制

用FX1N--40MTPLC控制步进电机正转与反转。把步进电机驱动器的D2设置为OFF，即PU为步进脉冲信号，DR为方向控制信号。PLC的Y0输出高速脉冲至步进电机驱动器的PU端，Y2控制步进电机反转。对应小车的运行各输出点分配如下：正转启动，X0；反转启动，X1；向左运行，Y0发脉冲，Y2为OFF；向右运行，Y0发脉冲，Y2为ON；停止，X10，Y0停止发脉冲，Y2为OFF。接线图

手动正反转程序

X0正转

X1反转

X10

停止

Y0脉冲信号

Y2方向信号项目二：运动小车自动往返控制。

按下启动按钮后，要求小车能自动往返运行。按下停止按钮或碰到左右极限开关，小车自动停止。

I/O分配如表示。设Q0.1为OFF时小车往左运行，为ON时小车往右运行。五、基于PLC与步进电机的位置闭环控制

用PLC的Q0.0向步进电机发出高速脉冲串，步进电机驱动器驱动步进电机带动小车运行。小车运行轨迹上安装有位移检测的DA-300光栅尺，在轨道上安装有左、右限位开关和原点开关，从原点至右行程限位开关距离小于光栅尺的测量距离。编程实现以下功能：（1）按下回原点按钮，小车运行至原点后停止，此时小车所处的位置坐标为0。系统启动运行时，首先必须找一次原点位置。（2）当小车碰到左限位或右限位开关动作时，小车应立即停止。

（3）设定A位置对应坐标值。按下启动按钮，小车自动运行到A点后停止5s，再自动返回到原点位置结束。运行过程中若按停止按钮则小车立即停止，运行过程结束。（4）用光栅尺来检测小车位移。（5）设小车的有效运行轨道为200mm，原点位置坐标为0点。I/O分配及接线图如图所示。Q0.0输出高速脉冲控制小车运行速度，Q0.1控制小车的运行方向。Q0.1为OFF时小车往左运行，为ON时小车往右运行。

分析：用A、B相正交高速计数器对光栅尺的A、B相输出脉冲进行高速计数。对高速计数器选择4X计数速率。则高速计数器从0计数到10000个脉冲对应的位移变化为50mm，所以1mm对应的脉冲数为200个。若设定A位置的坐标值为60mm，则对应的高速