PLC與步進電機組成的精確移動系統

溫宗禮

（廣東技術師范學院 廣東 廣州 510635）

0 前言

目前，步進電機已應用于需要高精度定位，精密調速和力矩控制的眾多領域，它的使用需要有相應的驅動系統（驅動器）和控制系統與之匹配，是典型的機電一體化產品。本文以西門子PLC作為控制系統，采用北京和利時公司的步進電機和驅動器（原“四通電機”）組成的半閉環控制系統，進行精確行走定位控制。

1 設計要求

某檢測中心要求開發一套 “吸收鉗自動走行導軌裝置”供其在檢測某產品時使用，主要要求有：

1.1 以一定的速率在6米長的軌道上往復移動，速度為40mm/s；

1.2 計算機通過RS232—RS485接口發出指令控制，使功率鉗從任一點位置移動到任一其它位置，位置準確度±1mm；

1.3 功率鉗托架控制方式：1）全程自動運行一個往復；2）設定開始、停止位置運行一個往復；3）手動控制單方向運動；

1.4 其它要求略，各部件尺寸關系如（圖1）所示。

圖1

2 系統構成

2.1 本系統由計算機通過串行通信口發送相關指令給PLC，PLC接收到后控制步進電機按要求移動，并將移動的距離實時回送到計算機同步顯示出來，而測量用的分析儀器在這過程中進行數據分析（如圖1）。整套系統采用半閉環控制系統（如圖2），反饋信號取自PLC輸出點和步進電機轉動軸兩個地方。

圖2

2.2 傳動機構

工作臺的運行行程較長（6米），為了增大驅動力矩和保證精度，采用的是同步齒形帶傳動，它既有嚙合傳動的優點：傳動過程無相對滑動，能保持恒定的傳動比，傳動精度高；同時又具有帶傳動的優點：傳動工作平穩，無噪聲，有良好的減振性能，無需潤滑。因此這種傳動機構在傳動精度要求比較高的地方使用是比較適合的。

3 PLC對步進電機的控制

3.1 PLC與步進驅動器的物理連接

由于步進電機驅動器是共陽極接線方式，與一般PLC的接線有沖突，上網查找后按圖3接法可以解決此問題，或者使用信號轉換模塊解決。

3.2 高速脈沖輸出（PTO）

PTO，是PLC用來輸出指定數量的方波 （占空比固定50%），用戶可以控制方波的周期和脈沖數，而產生的每一個方波就驅動步進電機按設定的方向轉動一個固定的角度（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數來控制角位移量，從而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動的速度和加速度，從而達到調速的目的。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運行包絡表，設置電機一個運行過程的多個參數，保證輸出的平穩性和連續性。設置參數其實主要是確定周期和脈沖數，對應移動的速度和移動的位移。我們把電機的運行過程確定為三個段：啟動、恒速運行、停止。如圖4

圖3

圖4

周期值：經過理論計算和使用千分尺實際測量，得出步進電機經減速箱后，轉一圈使工作臺所移動的位移為95mm，步進電機驅動器選擇8細分模式，轉一圈需要1600個脈沖。因此我們得出，要達到電機40mm/s的速度，需673.4個脈沖/每秒，即673.4Hz/s，周期為1485us。

脈沖數：總脈沖數由移動的位移轉換得到，如要移動200mm，則PLC要發出3368個（200/95*1600）脈沖。

3.3 信號反饋環節

為了排除機械傳動環節的非線性對系統穩定性的影響，本系統采用了半閉環系統，反饋信號來自兩個地方。1）一個取自PLC輸出端Q0.0，發一個脈沖就計數一次，屬于精細反饋。把Q0.0和輸入端I0.0直接連接，利用高速計數器HSC指令統計發出的脈沖數，并將此數據發送給計算機同步顯示；2）另一反饋信號安裝在減速箱的轉動軸上，每轉動一圈反饋一個信號給PLC，用于驗證轉的圈數是否正確，屬于粗反饋。

4 PLC和上位機的通信

西門子PLC通信功能十分強大，具有通用協議、PPI協議、MPI協議、ProfiBbus協議和自由口協議。為了方便以后擴充，我們選擇了自由口協議，它是指通過用戶程序在自定義的協議下控制PLC主機通過通信口端口與其他設備進行通信。自由口模式下，通信不單可以自由定義，而且簡單，發送數據使用XMT指令，一次可發送最多255個字符，發送完后會產生中斷。接收數據有兩種，一種是使用RCV指令，與發送指令配對使用，功能設置十分詳細；另一種是利用字符中斷控制接收數據，它是每接收到一個字符都會產生一次中斷，并存在指定的字符緩沖區SM2中。這種方式更加靈活方便，對于定長數據、接收數據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上位機采用VB語言來編寫，畫面簡潔，一目了然。串行通信利用MSComm控件編寫，此控件使用廣泛，網上資料也很詳細。我們把設置的參數和PLC自定義的參數要對應一致。在實際使用中，我們遇到了一個這樣的問題，就是在帶硬件串口的計算機中數據接收和發送接收都很正常，但在使用USB轉換成串口連接線中 （現在手提電腦一般都不再帶串口），偶爾會發生數據接收不到的現象，經用軟件測試，發生概率在1/1000左右。如果發生關鍵數據接收不到，會嚴重影響系統的穩定性。后經反復修改測試，在接收數據處理時放寬標準，同時加強判斷力度，并加入適當延時后，測試和使用都沒再出現接收不到數據的現象。

本系統生成的控制畫面如圖5。

圖5

本文介紹的系統已經在實驗中使用，經一段時間實際運行，效果良好、穩定。將控制系統PLC和驅動系統相結合，可以為現代工業生產帶來控制的精細化和檢測的自動化。

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

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