2.1 系統(tǒng)工作原理

　　步進(jìn)電機(jī)因其具有結(jié)構(gòu)簡單、控制方便、轉(zhuǎn)動慣量低、定位精度高、無累積誤差和成本低廉等優(yōu)點(diǎn)而成為工業(yè)控制的主要執(zhí)行元件，尤其是在精確定位場合中得到廣泛應(yīng)用。在工業(yè)生產(chǎn)中，步進(jìn)電機(jī)和生產(chǎn)機(jī)械的連接有很多種，常見的一種是步進(jìn)電機(jī)和絲杠連接，將步進(jìn)電機(jī)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動轉(zhuǎn)變成工作臺面的直線運(yùn)動。當(dāng)需要對工作臺面移動距離進(jìn)行定位控制時(shí)，只需要控制步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速和角位移大小即可。在非超載的情況下，步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速和角位移只取決于脈沖信號的頻率和脈沖數(shù)。它輸出的角位移與輸入的脈沖數(shù)成正比，轉(zhuǎn)速與脈沖頻率成正比。改變繞組通電的相序，則可以實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)反轉(zhuǎn)。

　　目前世界上主要的PLC廠家生產(chǎn)的PLC均有專門的高速脈沖輸出指令，可以很方便地和步進(jìn)電機(jī)構(gòu)成運(yùn)動定位控制系統(tǒng)。由PLC高速脈沖指令控制步進(jìn)電機(jī)實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確定位的實(shí)質(zhì)是PLC通過高速脈沖輸出指令PTO/PWM輸出高速脈沖信號，經(jīng)步進(jìn)電機(jī)脈沖細(xì)分驅(qū)動器控制步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)行，從而推動工作臺移動到達(dá)指定的位置，實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確定位。工作臺移動的距離與PLC脈沖數(shù)之間的關(guān)系為：

　　式中：N為PLC發(fā)出的控制脈沖的個(gè)數(shù);n為步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器的脈沖細(xì)分?jǐn)?shù)(如果步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器有脈沖細(xì)分驅(qū)動);θ為步進(jìn)電機(jī)的布距角，即步進(jìn)電機(jī)每收到一個(gè)脈沖變化，軸所轉(zhuǎn)過的角度;d為絲杠的螺紋距，它決定了絲杠每轉(zhuǎn)過一圈，工作臺面前進(jìn)的距離;δ為脈沖當(dāng)量(定位精度);i為傳動速比;L為工作臺移動的距離。

　　顯然，利用PLC控制步進(jìn)電機(jī)實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確定位的關(guān)鍵是對PLC產(chǎn)生的脈沖數(shù)的設(shè)定。而脈沖數(shù)與脈沖當(dāng)量、傳動速比、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器的細(xì)分?jǐn)?shù)以及脈沖頻率等都有關(guān)。

　　2.2 設(shè)計(jì)與實(shí)施

　　以貨物倉儲系統(tǒng)中的對直線導(dǎo)軌的定位控制設(shè)計(jì)為例加以說明。在倉儲系統(tǒng)中，要求由步進(jìn)電機(jī)拖動直線導(dǎo)軌將料塊送到指定的倉庫門口。假設(shè)從起點(diǎn)到終點(diǎn)的運(yùn)送距離為100 mm，即要求由步進(jìn)電機(jī)帶動導(dǎo)軌作直線運(yùn)動，定位距離為100 mm。為實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確定位，系統(tǒng)采用西門子S7-200系列CPU226型PLC、四通57BYG250C混合式步進(jìn)電機(jī)和森創(chuàng)SH-20403步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器等設(shè)備。其中CPU226型PLC的CPU有兩個(gè)脈沖發(fā)生器，分別是Q0.0端子和Q0.1端子。這兩個(gè)端子均可輸出PTO/PWM高速脈沖信，脈沖頻率可達(dá)20 kHz。根據(jù)控制要求，系統(tǒng)擬采用高速脈沖串輸出PTO功能，PTO功能可輸出一定脈沖個(gè)數(shù)和占空比為50%的方波信號。輸出脈沖的周期以μs或ms為增量單位。PTO功能允許多個(gè)脈沖串排隊(duì)輸出，從而形成流水線。流水線分為兩種：單段流水線和多段流水線。

　　為了消除電機(jī)的低頻振蕩，提高分辨率，采用了步進(jìn)電機(jī)細(xì)分驅(qū)動器，驅(qū)動步距角為0.9°/1.8°，脈沖細(xì)分?jǐn)?shù)設(shè)定為4。為保證速度和定位精度要求，步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行一般要經(jīng)歷三個(gè)過程，即啟動加速、恒速運(yùn)行和接近定位點(diǎn)時(shí)的減速運(yùn)行。為了維護(hù)步進(jìn)電機(jī)以及驅(qū)動設(shè)備，要求驅(qū)動脈沖頻率也線性增大，所以，本定位控制系統(tǒng)采用多管線操作，控制電機(jī)的運(yùn)行過程。設(shè)直線導(dǎo)軌起始位置在A點(diǎn)，現(xiàn)欲從A點(diǎn)移至D點(diǎn)，其中AD=100 mm。定位精度只與步進(jìn)電機(jī)脈沖當(dāng)量有關(guān)，取脈沖當(dāng)量為0.11 mm/脈沖，則需要900個(gè)脈沖完成定位。步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行過程中，要從A點(diǎn)加速到B點(diǎn)后恒速運(yùn)行，又從C點(diǎn)開始減速到D點(diǎn)完成定位過程用200個(gè)脈沖完成升頻加速，500個(gè)脈沖恒速運(yùn)行，200個(gè)脈沖完成降頻減速。如圖2所示。