PLC对步进电机的快速精确定位控制(附PLC原程序) - 步进伺服 .pdf

PLC对步进电机的快速精确定位控制(附PLC

原程序）-步进伺服

步进电机是一种将电脉冲转化为角位移的执行机构。当步进驱动器

接收到一个脉冲信号时就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定

的角度（称为“步距角”），其旋转以固定的角度运行。可以通过控制

脉冲个数来控制角位移量以达到准确定位的目的;同时也可以通过控

制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度而达到调速的目的。步进

电机作为一种控制用的特种电机，因其没有积累误差（精度为100%）

而广泛应用于各种开环控制。

1定位原理及方案

1.1步进电机加减速控制原理

步进电机驱动执行机构从一个位置向另一个位置移动时，要经历

升速、恒速和减速过程。当步进电机的运行频率低于其本身起动频率

时，可以用运行频率直接起动并以此频率运行，需要停止时，可从运

行频率直接降到零速。当步进电机运行频率fbfa（有载起动时的起

动频率）时，若直接用fb频率起动会造成步进电机失步甚至堵转。

同样在fb频率下突然停止时，由于惯性作用，步进电机会发生过冲，

影响定位精度。如果非常缓慢的升降速，步进电机虽然不会产生失步

和过冲现象，但影响了执行机构的工作效率。所以对步进电机加减速

要保证在不失步和过冲前提下，用最快的速度（或最短的时间）移动

到指定位置。

步进电机常用的升降频控制方法有2种：直线升降频和指数曲线

1

升降频。指数曲线法具有较强的跟踪能力，但当速度变化较大时平衡

性差。直线法平稳性好，适用于速度变化较大的快速定位方式。以恒

定的加速度升降，规律简练，用软件实现比较简单，本文即采用此方

法。

1.2定位方案

要保证系统的定位精度，脉冲当量即步进电机转一个步距角所移

动的距离不能太大，而且步进电机的升降速要缓慢，以防止产生失步

或过冲现象。但这两个因素合在一起带来了一个突出问题：定位时间

太长，影响执行机构的工作效率。因此要获得高的定位速度，同时又

要保证定位精度，可以把整个定位过程划分为两个阶段：粗定位阶段

和精定位阶段。粗定位阶段，采用较大的脉冲当量，如0.1mm/步或

1mm/步，甚至更高。精定位阶段，为了保证定位精度，换用较小的脉

冲当量，如0.01mm/步。虽然脉冲当量变小，但由于精定位行程很短

（可定为全行程的五十分之一左右），并不会影响到定位速度。为了

实现此目的，机械方面可通过采用不同变速机构实现。

工业机床控制在工业自动化控制中占有重要位置，定位钻孔是常

用工步。设刀具或工作台欲从A点移至C点，已知AC=200mm，把AC

划分为AB与BC两段，AB=196mm，BC=4mm，AB段为粗定位行程，采

用0.1mm/步的脉冲当量依据直线升降频规律快速移动，BC段为精定

位行程，采用0.01mm/步的脉冲当量，以B点的低频恒速运动完成精

确定位。在粗定位结束进入精定位的同时，plc自动实现变速机构的

更换。

2

2定位程序设计

2.1PLC脉冲输出指令

目前较为先进的PLC不仅具有满足顺序控制要求的基本逻辑指

令，而且还提供了丰富的功能指令。SiemensS7-200系列PLC的PLUS

指令在Q0.0和Q0.1输出PTO或PWM高速脉冲，最大输出频率为20KHz。

脉冲串（PTO）提供方波输出（50%占空比），用户控制周期和脉冲数。

脉冲宽度可调制（PWM）能提供连续、变占空比输出，用户控制周期

和脉冲宽度。本文采用PTO的多段管线工作方式实现粗定位，PTO的

单段管线方式实现精定位。

上述例子中，假定电机的起动和结束频率是2KHz，最大脉冲频

率是10KHz。在粗定位过程中，用200个脉冲完成升频加速，400个

脉冲完成降频减速。使用PLC的PTO多段管线脉冲输出时，用下面的

公式计算升降频过程中的脉冲增量值。

给定段的周期增量=（ECT—ICT）/Q

式中：ECT=该段结束周期时间

ICT=该段初始周期时间

利用这个公式，加速部分（第1段）周期增量为2，减速部分（第