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會(huì)員注冊在自動(dòng)化和控制系統(tǒng)中，運(yùn)動(dòng)控制器和可編程邏輯控制器(PLC)扮演著至關(guān)重要的角色。盡管它們經(jīng)常被用于實(shí)現(xiàn)工業(yè)機(jī)械的自動(dòng)化控制，但它們的設(shè)計(jì)目標(biāo)、功能和應(yīng)用范圍存在顯著差異。在工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域當(dāng)中，運(yùn)動(dòng)控制一直是PLC應(yīng)用領(lǐng)域當(dāng)中的重要組成部分。運(yùn)動(dòng)控制器專門設(shè)計(jì)用于精密地控制機(jī)械運(yùn)動(dòng)的軌跡、速度、加速度和位置。這些設(shè)備通常用于要求高精度和復(fù)雜運(yùn)動(dòng)控制的場合，如機(jī)器人臂、CNC機(jī)床、半導(dǎo)體制造設(shè)備和其他自動(dòng)化裝配線。運(yùn)動(dòng)控制器強(qiáng)調(diào)高速、精確的點(diǎn)對點(diǎn)移動(dòng)，以及多軸協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)的能力。而步進(jìn)電機(jī)由于其性能穩(wěn)定、響應(yīng)速度快、運(yùn)行平穩(wěn)、噪音低等特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用在有精度要求的定位控制場合。對于絕大多數(shù)步進(jìn)控制系統(tǒng)，都使用的是開環(huán)控制，因?yàn)榭刂坪唵巍?/P>
有些情況下，增加編碼器的方式，組成步進(jìn)閉環(huán)控制系統(tǒng)，既能降低設(shè)備體積，還可以減少步進(jìn)電機(jī)丟步的風(fēng)險(xiǎn)，相比伺服系統(tǒng)成本更低。本文以西門子PLC為控制器，結(jié)合編碼器和步進(jìn)電機(jī)組成閉環(huán)系統(tǒng)，以供參考。
1.系統(tǒng)硬件組成
因?yàn)樾枰M成步進(jìn)閉環(huán)系統(tǒng)，所以在選取PLC的時(shí)候，需要滿足兩個(gè)條件，支持脈沖輸出，支持高速計(jì)數(shù)器輸入。在這里使用S7-200 SMART ST20，它具有2個(gè)100KHz的脈沖輸出，6個(gè)高速計(jì)數(shù)器，滿足步進(jìn)閉環(huán)控制的性能要求。
步進(jìn)電機(jī)使用研控步進(jìn)電機(jī)YK57HB76-04A，該電機(jī)步距角為1.8°，保持轉(zhuǎn)矩為2.0 N.m。驅(qū)動(dòng)器使用配套的型號YKE2405M，電流在1.5-4.0A可調(diào)，細(xì)分可在400-40000之間設(shè)置。在本項(xiàng)目中，細(xì)分設(shè)置為1000，即PLC發(fā)送1000個(gè)脈沖，電機(jī)旋轉(zhuǎn)一圈。
由于閉環(huán)的需要，需要使用一款編碼器，這里選取歐姆龍的增量編碼器E6B2-CWZ6C 1000P/R 3M，其分辨率為1000脈沖/圈，將其直接安裝在步進(jìn)電機(jī)的輸出軸上。
綜上所述，那么我們可以得到該步進(jìn)控制系統(tǒng)的關(guān)系：PLC發(fā)送一千個(gè)脈沖，步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)一圈，編碼器也旋轉(zhuǎn)一圈。
為了更好的發(fā)送脈沖的輸入指令，通常使用觸摸屏。觸摸屏輸入脈沖指令，給到PLC，PLC再發(fā)送給步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器，步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)電機(jī)。完成一系列的控制。在實(shí)際應(yīng)用的時(shí)候，為了操作員的易讀懂、方便度量，通常將輸入的單位轉(zhuǎn)化為毫米。本案使用的是絲桿結(jié)構(gòu)，導(dǎo)程為10mm，即發(fā)送1000脈沖，電機(jī)移動(dòng)10mm。本機(jī)以威綸通的觸摸屏MT8051IP作為參數(shù)輸入界面，當(dāng)輸入長度為P時(shí)，指令脈沖的數(shù)量為Q = 100P，步進(jìn)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)編碼器的反饋脈沖為F，F(xiàn)=Q。總的系統(tǒng)硬件方框圖如圖1示：
圖1 系統(tǒng)硬件方框圖片描述
2.系統(tǒng)主要控制功能
系統(tǒng)控制軟件功能包括長度與指令脈沖換算，位置控制參數(shù)設(shè)定及定位控制，脈沖反饋及閉環(huán)控制，超差處理等
圖2 系統(tǒng)軟件框圖
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（一）運(yùn)動(dòng)控制向?qū)?/STRONG>
為了將長度單位與脈沖指令進(jìn)行換算，S7-200 SMART 提供了一個(gè)運(yùn)動(dòng)向?qū)У墓ぞ撸@個(gè)工具可以快速的將工程單位轉(zhuǎn)化成步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器相對應(yīng)的控制脈沖。本案中步進(jìn)的脈沖細(xì)分為1000，導(dǎo)程為10mm，所以在進(jìn)行運(yùn)動(dòng)控制向?qū)У臅r(shí)候，設(shè)置方法如圖3所示：
圖3 步進(jìn)測量系統(tǒng)
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（二）位置指令參數(shù)設(shè)定
當(dāng)使用運(yùn)動(dòng)控制向?qū)гO(shè)置完畢之后，會(huì)自從生成對應(yīng)的功能塊，在進(jìn)行定位控制的時(shí)候，調(diào)用相對應(yīng)的功能塊即可。需要注意的是，使用絕對定位運(yùn)動(dòng)，需要先進(jìn)行回零的設(shè)置。在進(jìn)行絕對定位，使用的功能塊是AXIS0_GOTO，在進(jìn)行位置控制的時(shí)候，設(shè)置好位置數(shù)據(jù)，觸發(fā)V2100.7則可以進(jìn)行定位控制。
圖4 AXIS0_GOTO功能塊
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（三）編碼器閉環(huán)反饋系統(tǒng)
對于編碼器的閉環(huán)反饋，可以使用S7-200 SMART的高速計(jì)數(shù)器向?qū)В瑏硗瓿上嚓P(guān)參數(shù)的設(shè)置，在進(jìn)行相關(guān)參數(shù)設(shè)置的時(shí)候，需要確定好對應(yīng)的高速計(jì)數(shù)器的模式。通常有四種類型的高速計(jì)數(shù)器，內(nèi)部方向高速計(jì)數(shù)器、外部方向高速計(jì)數(shù)器、加減雙相高速計(jì)數(shù)器、AB正交高速計(jì)數(shù)器，這四種類型根據(jù)是否有復(fù)位功能又有所不同。本案使用模式1，帶有內(nèi)部方向控制的單相增/減計(jì)數(shù)器。使用復(fù)位輸入。
圖5 高速計(jì)數(shù)器向?qū)?/P>
當(dāng)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)控制的時(shí)候，使用高速計(jì)數(shù)器的返回值與AXIS0_GOTO的當(dāng)前位置值進(jìn)行比較，當(dāng)兩者相等時(shí)候，證明沒有丟步，當(dāng)反饋值小于AXIS0_GOTO的位置值，則可能發(fā)生丟步的情況，需要進(jìn)行補(bǔ)償，通常會(huì)設(shè)置一定的容差范圍，當(dāng)大于容查的時(shí)，則不再進(jìn)行補(bǔ)償，需要進(jìn)行報(bào)警處理，檢查超出容差的原因。
3.總結(jié)
步進(jìn)的閉環(huán)控制系統(tǒng)，對于某些定位要求比較高的場合具有重要的作用。除了使用編碼器反饋組成閉環(huán)控制之外，還有可以使用模擬量等方式來構(gòu)建步進(jìn)閉環(huán)控制系統(tǒng)。具體的實(shí)現(xiàn)方式，可以根據(jù)工藝和要求來進(jìn)行選擇，此處只是提供了一種應(yīng)用方案，供參考。
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