PLC與步進(jìn)電機(jī)組成的精確移動(dòng)系統(tǒng)

溫宗禮

（廣東技術(shù)師范學(xué)院 廣東 廣州 510635）

0 前言

目前，步進(jìn)電機(jī)已應(yīng)用于需要高精度定位，精密調(diào)速和力矩控制的眾多領(lǐng)域，它的使用需要有相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)（驅(qū)動(dòng)器）和控制系統(tǒng)與之匹配，是典型的機(jī)電一體化產(chǎn)品。本文以西門子PLC作為控制系統(tǒng)，采用北京和利時(shí)公司的步進(jìn)電機(jī)和驅(qū)動(dòng)器（原“四通電機(jī)”）組成的半閉環(huán)控制系統(tǒng)，進(jìn)行精確行走定位控制。

1 設(shè)計(jì)要求

某檢測(cè)中心要求開發(fā)一套 “吸收鉗自動(dòng)走行導(dǎo)軌裝置”供其在檢測(cè)某產(chǎn)品時(shí)使用，主要要求有：

1.1 以一定的速率在6米長(zhǎng)的軌道上往復(fù)移動(dòng)，速度為40mm/s；

1.2 計(jì)算機(jī)通過RS232—RS485接口發(fā)出指令控制，使功率鉗從任一點(diǎn)位置移動(dòng)到任一其它位置，位置準(zhǔn)確度±1mm；

1.3 功率鉗托架控制方式：1）全程自動(dòng)運(yùn)行一個(gè)往復(fù)；2）設(shè)定開始、停止位置運(yùn)行一個(gè)往復(fù)；3）手動(dòng)控制單方向運(yùn)動(dòng)；

1.4 其它要求略，各部件尺寸關(guān)系如（圖1）所示。

圖1

2 系統(tǒng)構(gòu)成

2.1 本系統(tǒng)由計(jì)算機(jī)通過串行通信口發(fā)送相關(guān)指令給PLC，PLC接收到后控制步進(jìn)電機(jī)按要求移動(dòng)，并將移動(dòng)的距離實(shí)時(shí)回送到計(jì)算機(jī)同步顯示出來，而測(cè)量用的分析儀器在這過程中進(jìn)行數(shù)據(jù)分析（如圖1）。整套系統(tǒng)采用半閉環(huán)控制系統(tǒng)（如圖2），反饋信號(hào)取自PLC輸出點(diǎn)和步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)軸兩個(gè)地方。

圖2

2.2 傳動(dòng)機(jī)構(gòu)

工作臺(tái)的運(yùn)行行程較長(zhǎng)（6米），為了增大驅(qū)動(dòng)力矩和保證精度，采用的是同步齒形帶傳動(dòng)，它既有嚙合傳動(dòng)的優(yōu)點(diǎn)：傳動(dòng)過程無相對(duì)滑動(dòng)，能保持恒定的傳動(dòng)比，傳動(dòng)精度高；同時(shí)又具有帶傳動(dòng)的優(yōu)點(diǎn)：傳動(dòng)工作平穩(wěn)，無噪聲，有良好的減振性能，無需潤(rùn)滑。因此這種傳動(dòng)機(jī)構(gòu)在傳動(dòng)精度要求比較高的地方使用是比較適合的。

3 PLC對(duì)步進(jìn)電機(jī)的控制

3.1 PLC與步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器的物理連接

由于步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器是共陽極接線方式，與一般PLC的接線有沖突，上網(wǎng)查找后按圖3接法可以解決此問題，或者使用信號(hào)轉(zhuǎn)換模塊解決。

3.2 高速脈沖輸出（PTO）

PTO，是PLC用來輸出指定數(shù)量的方波 （占空比固定50%），用戶可以控制方波的周期和脈沖數(shù)，而產(chǎn)生的每一個(gè)方波就驅(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（即步距角，一般為0.9度或1.8度）。這樣我們就可以控制脈沖個(gè)數(shù)來控制角位移量，從而達(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，從而達(dá)到調(diào)速的目的。在這里我們主要選擇PTO的多段管線功能，多段管線是指建立一個(gè)運(yùn)行包絡(luò)表，設(shè)置電機(jī)一個(gè)運(yùn)行過程的多個(gè)參數(shù)，保證輸出的平穩(wěn)性和連續(xù)性。設(shè)置參數(shù)其實(shí)主要是確定周期和脈沖數(shù)，對(duì)應(yīng)移動(dòng)的速度和移動(dòng)的位移。我們把電機(jī)的運(yùn)行過程確定為三個(gè)段：?jiǎn)?dòng)、恒速運(yùn)行、停止。如圖4

圖3

圖4

周期值：經(jīng)過理論計(jì)算和使用千分尺實(shí)際測(cè)量，得出步進(jìn)電機(jī)經(jīng)減速箱后，轉(zhuǎn)一圈使工作臺(tái)所移動(dòng)的位移為95mm，步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器選擇8細(xì)分模式，轉(zhuǎn)一圈需要1600個(gè)脈沖。因此我們得出，要達(dá)到電機(jī)40mm/s的速度，需673.4個(gè)脈沖/每秒，即673.4Hz/s，周期為1485us。

脈沖數(shù)：總脈沖數(shù)由移動(dòng)的位移轉(zhuǎn)換得到，如要移動(dòng)200mm，則PLC要發(fā)出3368個(gè)（200/95*1600）脈沖。

3.3 信號(hào)反饋環(huán)節(jié)

為了排除機(jī)械傳動(dòng)環(huán)節(jié)的非線性對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響，本系統(tǒng)采用了半閉環(huán)系統(tǒng)，反饋信號(hào)來自兩個(gè)地方。1）一個(gè)取自PLC輸出端Q0.0，發(fā)一個(gè)脈沖就計(jì)數(shù)一次，屬于精細(xì)反饋。把Q0.0和輸入端I0.0直接連接，利用高速計(jì)數(shù)器HSC指令統(tǒng)計(jì)發(fā)出的脈沖數(shù)，并將此數(shù)據(jù)發(fā)送給計(jì)算機(jī)同步顯示；2）另一反饋信號(hào)安裝在減速箱的轉(zhuǎn)動(dòng)軸上，每轉(zhuǎn)動(dòng)一圈反饋一個(gè)信號(hào)給PLC，用于驗(yàn)證轉(zhuǎn)的圈數(shù)是否正確，屬于粗反饋。

4 PLC和上位機(jī)的通信

西門子PLC通信功能十分強(qiáng)大，具有通用協(xié)議、PPI協(xié)議、MPI協(xié)議、ProfiBbus協(xié)議和自由口協(xié)議。為了方便以后擴(kuò)充，我們選擇了自由口協(xié)議，它是指通過用戶程序在自定義的協(xié)議下控制PLC主機(jī)通過通信口端口與其他設(shè)備進(jìn)行通信。自由口模式下，通信不單可以自由定義，而且簡(jiǎn)單，發(fā)送數(shù)據(jù)使用XMT指令，一次可發(fā)送最多255個(gè)字符，發(fā)送完后會(huì)產(chǎn)生中斷。接收數(shù)據(jù)有兩種，一種是使用RCV指令，與發(fā)送指令配對(duì)使用，功能設(shè)置十分詳細(xì)；另一種是利用字符中斷控制接收數(shù)據(jù)，它是每接收到一個(gè)字符都會(huì)產(chǎn)生一次中斷，并存在指定的字符緩沖區(qū)SM2中。這種方式更加靈活方便，對(duì)于定長(zhǎng)數(shù)據(jù)、接收數(shù)據(jù)量也不是很大的情況下十分適用。因此我們選擇了這種接收方式。（參考所附程序）

PC上位機(jī)采用VB語言來編寫，畫面簡(jiǎn)潔，一目了然。串行通信利用MSComm控件編寫，此控件使用廣泛，網(wǎng)上資料也很詳細(xì)。我們把設(shè)置的參數(shù)和PLC自定義的參數(shù)要對(duì)應(yīng)一致。在實(shí)際使用中，我們遇到了一個(gè)這樣的問題，就是在帶硬件串口的計(jì)算機(jī)中數(shù)據(jù)接收和發(fā)送接收都很正常，但在使用USB轉(zhuǎn)換成串口連接線中 （現(xiàn)在手提電腦一般都不再帶串口），偶爾會(huì)發(fā)生數(shù)據(jù)接收不到的現(xiàn)象，經(jīng)用軟件測(cè)試，發(fā)生概率在1/1000左右。如果發(fā)生關(guān)鍵數(shù)據(jù)接收不到，會(huì)嚴(yán)重影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性。后經(jīng)反復(fù)修改測(cè)試，在接收數(shù)據(jù)處理時(shí)放寬標(biāo)準(zhǔn)，同時(shí)加強(qiáng)判斷力度，并加入適當(dāng)延時(shí)后，測(cè)試和使用都沒再出現(xiàn)接收不到數(shù)據(jù)的現(xiàn)象。

本系統(tǒng)生成的控制畫面如圖5。

圖5

本文介紹的系統(tǒng)已經(jīng)在實(shí)驗(yàn)中使用，經(jīng)一段時(shí)間實(shí)際運(yùn)行，效果良好、穩(wěn)定。將控制系統(tǒng)PLC和驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)相結(jié)合，可以為現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)帶來控制的精細(xì)化和檢測(cè)的自動(dòng)化。

［1］龔建偉技術(shù)主頁：www.gjwtech.com/serialcomm.htm[OL].

［2］SIMATIC S7-200可編程序控制器系統(tǒng)手冊(cè)[Z].西門子（中國(guó)）有限公司.