摘 要：在介紹步進電機升降頻調速原理及快速精確定位方法的基礎上，提出了利用PLC的高速脈衝(chong) 輸出實現步進電機位置控製功能的方法，給出了精確定位的控製方案及軟件實現方法。

關(guan) 鍵詞：步進電機，PLC，定位，S7-200，精確

Abstract：This paper introduces the theory of speed regulation and the method of position control quickly and accurately for stepper-motor. It realized accurately orientation for stepper-motor with high-pulse output of PLC.

Keywords：Stepper-motor，PLC，position control，S7-200，accuracy

0 引言

　　步進電機是一種將電脈衝(chong) 轉化為(wei) 角位移的執行機構。當步進驅動器接收到一個(ge) 脈衝(chong) 信號時就驅動步進電機按設定的方向轉動一個(ge) 固定的角度（稱為(wei) “步距角”），其旋轉以固定的角度運行。可以通過控製脈衝(chong) 個(ge) 數來控製角位移量以達到準確定位的目的;同時也可以通過控製脈衝(chong) 頻率來控製電機轉動的速度和加速度而達到調速的目的。步進電機作為(wei) 一種控製用的特種電機，因其沒有積累誤差（精度為(wei) 100%）而廣泛應用於(yu) 各種開環控製。

　　可編程序控製器（PLC）是專(zhuan) 為(wei) 在工業(ye) 環境下應用而設計的一種工業(ye) 控製計算機，具有抗幹擾能力強、可靠性極高、體(ti) 積小等顯著優(you) 點，是實現機電一體(ti) 化的理想控製裝置。通過對步進電機定位與(yu) Siemens PLC的深入研究，本文提出了利用PLC的高速脈衝(chong) 輸出實現步進電機位置控製功能的有關(guan) 見解與(yu) 方法，介紹了步進電機加減速控製原理以及用PLC實現步進電機快速精確定位的方法，給出了位置控製係統方案及軟件設計思路，在實驗室內(nei) 運行通過，對於(yu) 工礦企業(ye) 實現相關(guan) 步進電機的精確定位控製具有較高的應用與(yu) 參考價(jia) 值。

1 定位原理及方案

　　1.1 步進電機加減速控製原理

　　步進電機驅動執行機構從(cong) 一個(ge) 位置向另一個(ge) 位置移動時，要經曆升速、恒速和減速過程。當步進電機的運行頻率低於(yu) 其本身起動頻率時，可以用運行頻率直接起動並以此頻率運行，需要停止時，可從(cong) 運行頻率直接降到零速。當步進電機運行頻率fb>fa（有載起動時的起動頻率）時，若直接用fb頻率起動會(hui) 造成步進電機失步甚至堵轉。同樣在fb頻率下突然停止時，由於(yu) 慣性作用，步進電機會(hui) 發生過衝(chong) ，影響定位精度。如果非常緩慢的升降速，步進電機雖然不會(hui) 產(chan) 生失步和過衝(chong) 現象，但影響了執行機構的工作效率。所以對步進電機加減速要保證在不失步和過衝(chong) 前提下，用最快的速度（或最短的時間）移動到指定位置。

　　步進電機常用的升降頻控製方法有2種：直線升降頻（圖1）和指數曲線升降頻（圖2）。指數曲線法具有較強的跟蹤能力，但當速度變化較大時平衡性差。直線法平穩性好，適用於(yu) 速度變化較大的快速定位方式。以恒定的加速度升降，規律簡練，用軟件實現比較簡單，本文即采用此方法。

　　1.2 定位方案

　　要保證係統的定位精度，脈衝(chong) 當量即步進電機轉一個(ge) 步距角所移動的距離不能太大，而且步進電機的升降速要緩慢，以防止產(chan) 生失步或過衝(chong) 現象。但這兩(liang) 個(ge) 因素合在一起帶來了一個(ge) 突出問題：定位時間太長，影響執行機構的工作效率。因此要獲得高的定位速度，同時又要保證定位精度，可以把整個(ge) 定位過程劃分為(wei) 兩(liang) 個(ge) 階段：粗定位階段和精定位階段。粗定位階段，采用較大的脈衝(chong) 當量，如0.1mm/步或1mm/步，甚至更高。精定位階段，為(wei) 了保證定位精度，換用較小的脈衝(chong) 當量，如0.01mm/步。雖然脈衝(chong) 當量變小，但由於(yu) 精定位行程很短（可定為(wei) 全行程的五十分之一左右），並不會(hui) 影響到定位速度。為(wei) 了實現此目的，機械方麵可通過采用不同變速機構實現。

　　工業(ye) 機床控製在工業(ye) 自動化控製中占有重要位置，定位鑽孔是常用工步。設刀具或工作台欲從(cong) A點移至C點，已知AC=200mm，把AC劃分為(wei) AB與(yu) BC 兩(liang) 段，AB=196mm，BC=4mm，AB段為(wei) 粗定位行程，采用0.1mm/步的脈衝(chong) 當量依據直線升降頻規律快速移動，BC段為(wei) 精定位行程，采用 0.01mm/步的脈衝(chong) 當量，以B點的低頻恒速運動完成精確定位。在粗定位結束進入精定位的同時，PLC自動實現變速機構的更換。

2 定位程序設計

　　2.1 PLC脈衝(chong) 輸出指令

　　目前較為(wei) 先進的PLC不僅(jin) 具有滿足順序控製要求的基本邏輯指令，而且還提供了豐(feng) 富的功能指令。Siemens S7-200係列PLC的PLUS指令在Q0.0和Q0.1輸出PTO或PWM高速脈衝(chong) ，最大輸出頻率為(wei) 20KHz。脈衝(chong) 串（PTO）提供方波輸出（50%占空比），用戶控製周期和脈衝(chong) 數。脈衝(chong) 寬度可調製（PWM）酮能提供連續、變占空比輸出，用戶控製周期和脈衝(chong) 寬度。本文采用PTO的多段管線工作方式實現粗定位，PTO的單段管線方式實現精定位，如圖3。

圖3 步進電機定位過程圖

　　上述例子中，假定電機的起動和結束頻率是2KHz，最大脈衝(chong) 頻率是10KHz。在粗定位過程中，用200個(ge) 脈衝(chong) 完成升頻加速，400個(ge) 脈衝(chong) 完成降頻減速。使用PLC的PTO多段管線脈衝(chong) 輸出時，用下麵的公式計算升降頻過程中的脈衝(chong) 增量值。

　　給定段的周期增量=（ECT—ICT）/Q

　　式中：ECT=該段結束周期時間

　　ICT=該段初始周期時間

　　利用這個(ge) 公式，加速部分（第1段）周期增量為(wei) 2，減速部分（第3段）周期增量為(wei) 1。因第2段是恒速部分，故周期增量為(wei) 0。如果PTO的包絡表從(cong) VB500開始存放，則表1為(wei) 上例的包絡表值。

表1 粗定位的PTO多段管線包絡表值

　　2.2 源程序

　　//主程序

　　LD SM0.1 //首次掃描為(wei) 1

　　R Q0.0，1 //複位映像寄存器位

　　CALL 0 //調用子程序0，初始化粗定位相關(guan) 參數

　　LD M0.0 //粗定位完成

　　R Q0.0，1

　　CALL 1 //調用子程序1，初始化精定位相關(guan) 參數

　　//子程序0,粗定位

　　LD SM0.0

　　MOVB 16#A0，SMB67 //設定控製字：允許PTO操作，選擇ms增量，選擇多段操作

　　MOVW 500，SMW168 //指定包絡表起始地址為(wei) V500

　　MOVB 3，VB500 //設定包絡