一種基于PLC 的步進(jìn)電機(jī)閉環(huán)控制系統(tǒng)原理及設(shè)計(jì)

劉正宇

（安徽理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，安徽 淮南 232001）

步進(jìn)電機(jī)是一種把脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)變成直線位移或角位移的機(jī)械設(shè)備[1]，具有定位精確、響應(yīng)快等優(yōu)點(diǎn)。面對(duì)各行業(yè)對(duì)步進(jìn)電機(jī)控制越來(lái)越高的要求，提高其控制精度已刻不容緩。在步進(jìn)電機(jī)控制方面的研究論述有很多，例如，文獻(xiàn)[2]設(shè)計(jì)了一種采用單片機(jī)控制步進(jìn)電機(jī)的控制系統(tǒng)；文獻(xiàn)[3]提出了一種利用協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)（Coordinated Control System，CCS） 開(kāi)發(fā)環(huán)境，運(yùn)用自動(dòng)化理論，采用數(shù)字信號(hào)處理（Digital Signal Processing，DSP） 的控制方法。

為了改進(jìn)原有的步進(jìn)電機(jī)控制技術(shù)，本文以三菱可編程邏輯控制器（Programmable Logic Controller，PLC） 為控制核心，通過(guò)具體的實(shí)例，應(yīng)用編碼器的檢測(cè)效果，設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了完整的步進(jìn)電機(jī)運(yùn)動(dòng)的閉環(huán)控制系統(tǒng)。

1 步進(jìn)電機(jī)運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)、控制系統(tǒng)及控制設(shè)計(jì)

1.1 步進(jìn)電機(jī)運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)

該系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)滑臺(tái)定時(shí)、定長(zhǎng)、定速的水平往復(fù)移動(dòng)的目標(biāo)，從而要求滑臺(tái)水平往復(fù)移動(dòng)距離l=60 mm，移動(dòng)速度v=1 mm/s。它主要由步進(jìn)電機(jī)、減速器、滑臺(tái)模組、編碼器、聯(lián)軸器、穩(wěn)定軸承等部分組成，運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1。經(jīng)過(guò)對(duì)參數(shù)的比較以及對(duì)成本的考慮，選擇了性?xún)r(jià)比最高的硬件設(shè)備，步進(jìn)電機(jī)選擇為86 步進(jìn)電機(jī)，減速器減速比i=100∶1，滑臺(tái)模組導(dǎo)程P=10 mm/r，編碼器為歐姆龍旋轉(zhuǎn)增量編碼器E6B2-CWZ6C，線數(shù)為2000P/R，控制器為三菱FX-3U 系列PLC。

圖1 運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖

1.2 步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

控制系統(tǒng)主要由PLC 控制模塊、步進(jìn)驅(qū)動(dòng)模塊、編碼器反饋模塊、電源模塊以及相關(guān)電路組成，總體控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖2。其中編碼器反饋模塊的應(yīng)用是實(shí)現(xiàn)反饋控制系統(tǒng)的關(guān)鍵。

圖2 控制系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖

1.3 步進(jìn)電機(jī)控制設(shè)計(jì)

步進(jìn)電機(jī)是通過(guò)步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器來(lái)驅(qū)動(dòng)的，它的控制方式分為閉環(huán)控制和開(kāi)環(huán)控制[4]。開(kāi)環(huán)控制是由步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器直接發(fā)出脈沖方向和使能給步進(jìn)電機(jī)，讓轉(zhuǎn)子按照接收的脈沖信號(hào)實(shí)現(xiàn)相應(yīng)規(guī)律的轉(zhuǎn)動(dòng)，其間并無(wú)反饋存在。這種控制系統(tǒng)并不能保證步進(jìn)電機(jī)運(yùn)動(dòng)的精確性，對(duì)提高步進(jìn)電機(jī)的控制存在缺陷。閉環(huán)控制是在驅(qū)動(dòng)電機(jī)的同時(shí)，加上檢測(cè)裝置進(jìn)行直接跟蹤或間接跟蹤，把檢測(cè)信號(hào)發(fā)送給“中央處理器”——PLC，通過(guò)PLC 內(nèi)部數(shù)據(jù)計(jì)算反饋處理后，可以確定步進(jìn)電機(jī)的位置及轉(zhuǎn)速，若有出入，可以及時(shí)糾正，從而達(dá)到反饋效果。這種控制系統(tǒng)對(duì)提高步進(jìn)電機(jī)的控制有很大的應(yīng)用意義[5]。

步進(jìn)電機(jī)控制原理：PLC 發(fā)出脈沖及方向（信號(hào)通斷） 控制步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器，步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器通過(guò)A、B兩相信號(hào)控制步進(jìn)電機(jī)正反轉(zhuǎn)及定位。一般來(lái)說(shuō)，步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器給步進(jìn)電機(jī)的步距角為1.8°，其中步距角指的是驅(qū)動(dòng)器給步進(jìn)電機(jī)一個(gè)脈沖信號(hào)，步進(jìn)電機(jī)走一步的距離所對(duì)應(yīng)的角度，因此步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)一圈360°需要的脈沖信號(hào)數(shù)量m 為200 個(gè)。步進(jìn)電機(jī)控制使用的是脈沖輸出PLSY 指令，見(jiàn)圖3。圖3中，S1-中的內(nèi)容是指定頻率，可以更改字軟元件的內(nèi)容，輸出頻率也會(huì)隨之改變；S2-中的內(nèi)容是指定產(chǎn)生脈沖量，若該值為0 時(shí)，則對(duì)此產(chǎn)生的脈沖不做限制；D-中的內(nèi)容是脈沖輸出點(diǎn)。設(shè)定脈沖發(fā)完以后，執(zhí)行結(jié)束標(biāo)志M8029 動(dòng)作，接通一個(gè)上升沿，完成周期控制。

圖3 脈沖輸出PLSY 指令梯形圖

2 采用編碼器的反饋系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 編碼器原理

編碼器是一種將信號(hào)或數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為可以用來(lái)識(shí)別、便于傳輸和存儲(chǔ)的信號(hào)形式的裝置[6]。作為檢測(cè)機(jī)械運(yùn)動(dòng)的一種特殊傳感器，它不僅有著精確度高、工作可靠性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，還有著廣泛的應(yīng)用，比如檢測(cè)方向、距離、角度等。

編碼器作為一種檢測(cè)傳感器，它一般通過(guò)聯(lián)軸器連接在電機(jī)軸上，通過(guò)電機(jī)軸帶動(dòng)它轉(zhuǎn)動(dòng)，電機(jī)軸轉(zhuǎn)動(dòng)一圈，編碼器就轉(zhuǎn)動(dòng)一圈。編碼器原理見(jiàn)圖4，編碼器內(nèi)部有一個(gè)固定在軸上的旋轉(zhuǎn)盤(pán)，盤(pán)上有許多小孔，內(nèi)部光源通過(guò)透鏡穩(wěn)定透過(guò)旋轉(zhuǎn)盤(pán)上的小孔，抵達(dá)固定光柵上面。固定光柵下方有受光元件，受光元件產(chǎn)生電信號(hào)，經(jīng)過(guò)波形整形電路后的輸出信號(hào)有A、B 兩相，相位差為90°，輸出信號(hào)傳輸給PLC，通過(guò)高速計(jì)數(shù)器記錄單位時(shí)間內(nèi)光透過(guò)小孔的個(gè)數(shù)，完成計(jì)數(shù)工作。

圖4 編碼器原理示意圖

圖5 為編碼器實(shí)物圖。需注意的是，由圖5 可見(jiàn)，編碼器有6 根線，其中A 相線和B 相線在實(shí)物接線時(shí)需要謹(jǐn)慎，如果只接A、B 中任何一根線，高速計(jì)數(shù)器只能記錄光透過(guò)小孔的個(gè)數(shù)；如果A、B 兩根線都接，不僅可以記錄個(gè)數(shù)，還可以判斷電機(jī)動(dòng)作方向，但是要求A 相線接X(jué)0，B 相線接X(jué)1；如果接反了，就會(huì)和電機(jī)動(dòng)作方向剛好相反，這是由三菱FX-3U 系列PLC 的特殊性所決定的。

圖5 編碼器實(shí)物圖

2.2 反饋系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本文采用負(fù)反饋機(jī)制的閉環(huán)控制思想，在整個(gè)反饋系統(tǒng)中，由編碼器對(duì)步進(jìn)電機(jī)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)進(jìn)行跟蹤檢測(cè)，檢測(cè)到的信號(hào)輸出給PLC，通過(guò)PLC 對(duì)信號(hào)的分析計(jì)算并即時(shí)調(diào)整控制信號(hào)反饋給步進(jìn)電機(jī)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)方向、轉(zhuǎn)速及位移的準(zhǔn)確控制。

高速計(jì)數(shù)器在計(jì)數(shù)時(shí)，采用的是2 相2 計(jì)數(shù)，即C251 對(duì)應(yīng)的高速計(jì)數(shù)點(diǎn)為X0 和X1，其中A 相對(duì)應(yīng)X0，B 相對(duì)應(yīng)X1。計(jì)數(shù)值的加減需要加入特殊中間輔助繼電器， 計(jì)數(shù)方向是根據(jù)M8235~M8245 的啟動(dòng)與否，對(duì)應(yīng)的C235~C245 做相應(yīng)的增減計(jì)數(shù)。其中A、B 相之間存在90°相位差，根據(jù)信號(hào)的先后通斷，來(lái)判斷順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)是加計(jì)數(shù)還是減計(jì)數(shù)。

編碼器在檢測(cè)速度信號(hào)時(shí)，使用的是脈沖密度SPD 指令，見(jiàn)圖6。脈沖密度SPD 指令指的是高速計(jì)數(shù)器在單位時(shí)間內(nèi)計(jì)數(shù)的個(gè)數(shù)，把S1-中的設(shè)定輸入脈沖在S2-中的設(shè)定單位時(shí)間（單位為ms） 內(nèi)計(jì)數(shù)，把記錄結(jié)果存儲(chǔ)在D-中。例如X0 為高速計(jì)數(shù)點(diǎn)，K100 為計(jì)數(shù)時(shí)間100 ms，D0 為寄存器，用來(lái)存儲(chǔ)記錄的數(shù)據(jù)。

圖6 脈沖密度SPD 指令梯形圖

在實(shí)際檢測(cè)過(guò)程中，計(jì)算編碼器轉(zhuǎn)動(dòng)圈數(shù)時(shí)，期望圈數(shù)值為小數(shù)，為了保持?jǐn)?shù)據(jù)類(lèi)型統(tǒng)一，需要對(duì)C235 進(jìn)行整數(shù)向浮點(diǎn)數(shù)的轉(zhuǎn)換，需要浮點(diǎn)化，即采用FLT 指令。考慮到儲(chǔ)存值會(huì)大，可以采用32 位寄存器，占用兩個(gè)寄存器，即采用DFLT 指令。當(dāng)然最后的計(jì)算結(jié)果有時(shí)候需要整數(shù)化，即采用INT 指令或DINT 指令，同時(shí)也會(huì)用到四則運(yùn)算，比如浮點(diǎn)數(shù)乘法指令EMUL 或DEMUL、除法指令EDIV 或DEDIV 等簡(jiǎn)單基礎(chǔ)指令。在確定步進(jìn)電機(jī)的位移時(shí)，編碼器線數(shù)為2000P/R，電機(jī)軸半徑R=25 mm，減速器減速比i=100∶1，計(jì)算可得到編碼器轉(zhuǎn)動(dòng)圈數(shù)n1為

式中：C251 為高速計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)個(gè)數(shù)。

電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)圈數(shù)n2為

電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的周長(zhǎng)L 為

電機(jī)位移X 為

檢測(cè)步進(jìn)電機(jī)位移的控制程序，即編碼器測(cè)位移控制程序見(jiàn)圖7。其中C251 的記錄值存放在D0寄存器中，DO 中的數(shù)值擴(kuò)大100 倍后存放在D2中，再進(jìn)行浮點(diǎn)化給D4，進(jìn)行除法運(yùn)算后得到的結(jié)果存放在D6 中，D6 就是電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的圈數(shù)n2。計(jì)算電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的周長(zhǎng)L 值時(shí)使用乘法運(yùn)算，計(jì)算結(jié)果存放在D10 中。計(jì)算電機(jī)位移X 時(shí)，需要用到前一步的D6 的值，利用乘法指令，得到D14 的值，即位移X，還需要整數(shù)化，D18 就是最后的結(jié)果。

圖7 編碼器測(cè)位移控制程序梯形圖

3 結(jié)論

本次研究中對(duì)步進(jìn)電機(jī)的控制進(jìn)行了優(yōu)化，應(yīng)用了編碼器的檢測(cè)功能，設(shè)計(jì)出一個(gè)負(fù)反饋閉環(huán)控制系統(tǒng)，大大提升了對(duì)步進(jìn)電機(jī)的控制性能，實(shí)現(xiàn)了對(duì)步進(jìn)電機(jī)的精確定位，對(duì)生產(chǎn)中步進(jìn)電機(jī)的使用具有重大意義。利用負(fù)反饋閉環(huán)控制系統(tǒng)進(jìn)行試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，雖然此控制系統(tǒng)可以對(duì)步進(jìn)電機(jī)的速度、位移進(jìn)行精確的控制，但是硬件反應(yīng)滯后的現(xiàn)象還是在所難免。因此，為了讓步進(jìn)電機(jī)更好地滿(mǎn)足未來(lái)發(fā)展的需求，仍需不斷地對(duì)其控制進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，探尋更佳優(yōu)化方案。