PLC控制步進電動機在機械手中的應用*

王文紅，任 娟，金 浩

（沙洲職業工學院，江蘇張家港 215600）

0 引言

機械手是近幾十年發展起來的一種高科技自動操作裝置，完成抓取、搬運、裝配、焊接、檢測、碼垛、上下料等，應用非常廣泛，在自動化工廠隨處可見。機械手能按程序完成精準的動作，依靠各自由度精確的位置控制。

步進電動機是一種用電脈沖控制運轉的電動機，可以實現高精度的角度控制，由于可以用數字信號直接控制，因此很容易與微機相連接，是位置控制中不可缺少的執行裝置[1]。

與步進電動機相連的微機常用的有單片機、可編程控制器（PLC）等[2]。單片機是嵌入式微控制器，結構小巧，成本低，比較靈活，通過程序來實現各控制功能。但單片機實現位置控制，需要二次開發，還要設計接口、驅動等外圍電路，軟件設計也較復雜，且系統的抗干擾性能不夠好，可靠性并不高。

可編程控制器（PLC）是以微處理器為核心的工業控制裝置，功能強大、可靠性高，通用性好，已廣泛用于自動化控制的各個領域，是現代工業控制的支柱產品。PLC配合步進驅動器，并利用專用的脈沖控制指令，可以對步進電動機進行有效控制，到達位置的精確控制。與單片機控制系統相比，硬件設計更簡單、軟件編程更便捷，控制系統抗干擾能力也更好。

本文介紹PLC控制步進電動機，對機械手精確的位置控制，實現工件定點搬運功能。

1 機械手結構

機械手由底盤、橫軸、豎軸和手爪等組成，如圖1所示。手爪是一手爪氣缸，氣控實現其夾緊和張開動作，手爪氣缸安裝在橫軸上，由橫軸步進電動機驅動可作水平伸縮運動，手爪在直流電動機驅動下可在一定范圍（0°～270°）內回轉；豎軸步進電動機驅動整個橫軸作上下移動；整個機械手（橫軸、豎軸和手爪）在底盤直流電動機驅動下可在一定范圍內（0°～270°）的轉動[3]。

圖1 機械手結構

為方便完成工件定點搬運，機械手在水平伸縮、上下升降、整體回轉、手爪回轉4個自由度上需精確定位。其中，機械手水平伸縮、上下升降的位置控制采用步進驅動方式。

2 基于PLC的步進電動機位置控制系統

2.1 控制原理

機械手水平伸縮和上下升降的位置控制采用PLC+步進驅動方式，其位置控制系統主要由PLC、步進驅動器、步進電動機、傳動機構等組成。如圖2所示，PLC為核心控制器，并輸出脈沖信號；步進驅動器起放大信號（主要是電流）作用；步進電動機是執行電機；傳動機構將步進電動機的旋轉運動轉變為直線運動[4]。在機械手系統中，PLC以一定的頻率和方向發送脈沖信號，通過步進驅動器，使步進電動機以一定速度和方向，完成精確角位移，通過聯軸器帶動滾珠絲杠副，實現機械手的水平（或上下）直線位移，在橫軸（或豎軸）兩端加限位開關作終端保護。

圖2 步進電動機位置控制系統

2.2 電氣硬件設計

可編程控制器控制步進電動機，PLC必須選擇晶體管輸出型，有高速脈沖輸出功能。選松下FP1-C16T，輸入點8點（X0～X7），輸出點8點（Y0～Y7），脈沖頻率高達10 kHz，同時可以輸出兩路高速脈沖[5]，分別控制橫軸步進電動機和豎軸步進電動機。其中，Y0接步進脈沖信號，Y2接方向信號，Y0和Y2配合完成橫軸控制；同理，Y1接步進脈沖信號，Y3接方向信號，Y1和Y3配合完成豎軸控制。

根據負載的大小，同時為滿足機械手系統中橫軸和豎軸的定位精度要求，選二相混合式步進電動機，型號42BYG250C，主要參數：步距角0.9°/1.8°，相電流1.5 A，額定轉矩0.54 N·m，按八拍工作方式，通電方式是A—AB—B—B（-A）—（-A）—（-A）（-B）—（-B）—（-B）A—A的次序輪流通電[6]。

步進驅動器與步進電動機配合決定了步進驅動系統的運行性能，本系統選用森創兩相混合式步進細分驅動器，型號SH-20403，主要參數：工作電源10 V-40 VDC，最大3 A輸出電流，最大64細分[7]。為提高步進電動機的控制精度，并使步進驅動系統達到良好的運行性能，驅動器需完成細分設置和輸出電流設置。第一，細分設置，細分實質是拆分步距角，利用驅動器上撥位開關的SW1、SW2、SW3三位可組合出7種的細分模式。在滿足被控對象控制精度要求的前提下，同時考慮系統頻率允許，合理選擇細分數[8]，本系統驅動器選擇2細分模式，SW1、SW2、SW3分別為ON、OFF、OFF。第二，電流設置，利用驅動器上撥位開關SW5、SW6、SW7三位可組合出8種的輸出電流，以配合不同的步進電動機使用。驅動器動態電流的設定一般取決于負載及加速轉矩，若太小，電機將帶不動負載，出現堵轉；若太大，電機過熱易燒壞且噪音大。在保證速度和力矩下，為了延長步進驅動系統的使用壽命，驅動器輸出電流設定與步進電動機額定相電流相當或略低一些[2]。本機械手步進驅動電流設置為1.5 A，SW5、SW6、SW7分別為ON、OFF、ON。

以PLC控制機械手橫軸為例，PLC與步進電動機的接線圖如圖3所示[9]，PLC輸出端COM接DC24V負極，驅動器OPTO公共端接DC24 V正極，PLC輸出端Y0串分壓電阻R（2 kΩ）接驅動器CP步進脈沖信號，PLC輸出端Y2串分壓電阻R（2 kΩ）接驅動器DIR方向電平信號，FREE脫機信號懸空不接；步進電動機上4根接線（A+、A-、B+、B-）直接和驅動器（A+、A-、B+、B-）相連；驅動器電源輸入DC24 V。

圖3 PLC控制步進電動機電氣接線圖

2.3 PLC軟件設計

在機械手系統，機械手水平伸縮和上下升降的位置精確控制由PLC控制步進電動機來實現，PLC程序中脈沖數，決定步進電動機轉角；PLC程序中脈沖頻率，決定步進電動機轉速；PLC程序中方向信號決定步進電動機轉動方向。

2.3.1 步進電動機位置控制

機械手系統中，PLC控制步進電動機轉動，由滾珠絲杠副實現機械手橫向（或縱向）直線移動，其移動距離L（mm）與PLC發出脈沖數N之間的關系為：

式中：P為滾珠絲杠螺距，P=4 mm；θ為步進電動機步距角，θ=0.9°；m為步進驅動器細分數，m=2。

應用中，根據機械手橫軸（或豎軸）實際所要移動距離，按公式可以方便地計算出PLC編程中重要參數——脈沖數。

2.3.2 步進電動機速度控制

機械手系統中，PLC控制步進電動機轉動，由滾珠絲杠副實現機械手橫向（或縱向）直線移動，其移動速度（mm/s）與PLC發出脈沖頻率f之間的關系為：

式中：P為滾珠絲杠螺距，P=4 mm；Zr為步進電動機轉子齒數，Zr=50；K為步進電動機運行拍數，K=8。

應用中，根據機械手橫軸（或豎軸）實際所需移動速度，按公式可以方便地計算出PLC編程中重要參數——脈沖頻率（運行頻率）。

步進電動機從靜止開始起動，需克服慣性轉矩，電動機能響應且不失步，起動頻率一般較低，然后逐漸加速到所需的運行頻率。當電動機從運行頻率到停止時，為防止位置過沖現象，先減速再停止。因此，步進電動機的速度按“起動-升頻-穩頻-降頻-停止”的過程，呈梯形速度特性。

2.3.3 步進電動機PLC程序設計

為配合步進電動機運動控制，實現位置和速度控制要求，松下FP1 PLC有專用的高速脈沖輸出指令，脈沖輸出指令需設定控制代碼（輸出方式）、初始速度（起動頻率、開始頻率）、最大速度（運行頻率）、加（減）時間、目標值5個參數。以機械手橫軸步進電動機定位控制為例，為了能快速平穩地起停、運行，運行參數確定如下：起動頻率為500 Hz，運行頻率為2 000 Hz，頻率上升、下降時間為500 ms，脈沖數為8 000個，PLC程序如圖4a）所示[10]，當輸入條件滿足時，功能指令F0（MV）或F1（DMV）完成控制參數的賦值，F168（SPD1）位置控制指令從Y0輸出脈沖8 000個，完成橫軸步進電動機位移40 mm，運行速度20 mm/s，圖4（b）為其運行速度f/t圖。

圖4 速度與位置控制梯形圖及運行速度f/t圖

3 結束語

步進電動機具有較好的位置精度和運動重復性、微機控制方便等諸多優點。應用PLC控制步進電動，配合步進驅動器，通過合理設置細分和輸出電流，有效保證控制精度和運行效果；PLC程序中應用專用的位置控制指令，通過修改參數，有效進行速度控制，達到精確位置控制要求。

在本文設計的機械手中，用一臺PLC控制兩臺步進電動機，通過滾珠絲杠副實現機械手橫向和縱向直線運動，完成機械手伸縮半徑和升降高度的精確定位，橫向、縱向往復移動距離280 mm，位置精度±0.02 mm，實現了在開環控制方式下達到較好的定位效果。