基于PLC實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)S型曲線加速的方法

張李軍

摘 要：步進(jìn)電機(jī)時(shí)常用的開環(huán)控制電器，控制精度較高，但實(shí)際使用中容易出現(xiàn)過(guò)沖或者失步現(xiàn)象，所以需做好升速和降速處理，本文主要闡述基于PLC實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)S型曲線加速的方法。

關(guān)鍵詞：步進(jìn)電機(jī)；S型曲線加速；PLC；可編程序控制器

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.04.131

1 系統(tǒng)簡(jiǎn)介

在當(dāng)前數(shù)字控制系統(tǒng)中，步進(jìn)電機(jī)的應(yīng)用十分廣泛，步進(jìn)電機(jī)是將電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)榻俏灰频拈_環(huán)電機(jī)。在正常工作狀態(tài)下，電機(jī)的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)動(dòng)角度（或圈數(shù)）只由控制脈沖信號(hào)的頻率和脈沖數(shù)決定。

步進(jìn)電機(jī)和交流伺服電機(jī)同為常用驅(qū)動(dòng)電器，但在對(duì)定位精度要求不是非常高的場(chǎng)合，使用步進(jìn)電機(jī)比伺服具有明顯優(yōu)勢(shì)：①步進(jìn)電機(jī)對(duì)脈沖信號(hào)的跟隨性優(yōu)于伺服電機(jī)；②步進(jìn)電機(jī)和步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)價(jià)格低于伺服電機(jī)。

由于步進(jìn)電機(jī)為開環(huán)控制電器，當(dāng)旋轉(zhuǎn)角度發(fā)生錯(cuò)誤時(shí)無(wú)法自動(dòng)修正。當(dāng)步進(jìn)電機(jī)在啟動(dòng)時(shí)脈沖頻率過(guò)高或負(fù)載過(guò)大，在慣性作用下容易出現(xiàn)失步或堵轉(zhuǎn)的現(xiàn)象。若啟動(dòng)時(shí)啟動(dòng)扭力過(guò)大，會(huì)出現(xiàn)堵轉(zhuǎn)現(xiàn)象，使實(shí)際旋轉(zhuǎn)角度小于脈沖控制角度。若停止時(shí)轉(zhuǎn)速過(guò)高容易出現(xiàn)電機(jī)過(guò)沖現(xiàn)象，使實(shí)際旋轉(zhuǎn)角度大于脈沖控制角度。為了保證步進(jìn)電機(jī)的控制精度，必須在控制脈沖上做好升速和降速過(guò)程的處理。

步進(jìn)電機(jī)常用加速方式由直線型加速和曲線型加速。直線型加速由線性加速、梯形加速等；曲線型加速由指數(shù)型加速和S型加速等。直線型加速控制簡(jiǎn)單容易實(shí)現(xiàn)，但加速過(guò)程不夠平滑，實(shí)際加速效果不如曲線型加速。曲線型加速過(guò)程平滑，但不容易實(shí)現(xiàn)。

本文主要論述基于PLC（可編程控制器）的S型曲線加速應(yīng)用和實(shí)現(xiàn)方法。PLC是當(dāng)前主流的工業(yè)自動(dòng)化控制器之一，也小批量生產(chǎn)的設(shè)備控制中應(yīng)用最多的控制器，PLC編程靈活，方便拓展，成本低，選用具有高速脈沖的PLC型號(hào)可直接輸出控制脈沖和方向脈沖來(lái)對(duì)步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行控制。

PLC選用臺(tái)達(dá)DVP-EH3系列，它是臺(tái)達(dá)DVP-E系列的最高級(jí)主機(jī)，具備優(yōu)異的運(yùn)動(dòng)控制功能，可實(shí)現(xiàn)直線插補(bǔ)，圓弧插補(bǔ)功能，性能質(zhì)量穩(wěn)定，性價(jià)比高。DVP-EH3系列本身帶有高速脈沖發(fā)生器，可發(fā)出最大100KHZ脈沖，滿足對(duì)步進(jìn)電機(jī)的控制要求，并可通過(guò)程序進(jìn)行函數(shù)計(jì)算，通過(guò)函數(shù)計(jì)算結(jié)果實(shí)時(shí)改變脈沖頻率，達(dá)到變速或變加速控制。

2 波形曲線

S型加速曲線選用余弦函數(shù)π-2π段波形，圖1所示即為實(shí)際速度曲線，其中V0為目標(biāo)速度（頻率），T為加速時(shí)間，曲線波峰為，波谷為0，周期為2T。0-T段波形為余弦函數(shù)左移半個(gè)周期（即T）上移一個(gè)波峰（即V0），角頻率 ，故加速段的函數(shù)為：

由于PLC內(nèi)三角函數(shù)是以角度單位進(jìn)行計(jì)算，且計(jì)算范圍為，故在PLC中進(jìn)行運(yùn)算時(shí)應(yīng)將弧度換算為角度，PLC內(nèi)計(jì)算函數(shù)為：

3 S型加速曲線在PLC中的實(shí)現(xiàn)

臺(tái)達(dá)DVP-EH3系列PLC的Y0為脈沖輸出，Y1為方向脈沖輸出，可直接接入步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的控制脈沖輸入接口，PLC輸出電壓為24VDC，24VDC電壓在大多數(shù)步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的控制脈沖輸入接口上可以通用，若步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的控制脈沖輸入接口為5VDC或12VDC輸入電壓，可外接獨(dú)立電源，防止電壓過(guò)高。根據(jù)實(shí)際需要設(shè)置步進(jìn)電機(jī)的細(xì)分，則當(dāng)PLC程序控制Y0、Y1輸出脈沖時(shí)，輸出脈沖通過(guò)細(xì)分驅(qū)動(dòng)器控制步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)一個(gè)角度，旋轉(zhuǎn)速度為PLC的脈沖輸出頻率。

子程序P001為函數(shù)式計(jì)算程序，根據(jù)控制需求選用0.01s計(jì)時(shí)，臺(tái)達(dá)DVP-EH3系列PLC的T200定時(shí)器計(jì)時(shí)單位為10ms（即0.01s），將T200計(jì)時(shí)結(jié)果存入寄存器D90，D90即為t（當(dāng)前時(shí)間）。T（加速時(shí)間）為設(shè)定值，可根據(jù)需求設(shè)置1-30000（單位為10ms）任意整數(shù)值，設(shè)定值存于寄存器D200，D200寄存器有斷電保持功能，當(dāng)設(shè)備斷電后可自動(dòng)保存，無(wú)需重新設(shè)置。因當(dāng)前加速時(shí)間小于所設(shè)定的加速時(shí)間，所以 的結(jié)果為小數(shù)，在對(duì)寄存器D90和D200 進(jìn)行除法運(yùn)算時(shí)需用浮點(diǎn)數(shù)運(yùn)算，程序“DEDIV D90 D200 D102”中寄存器D102即為浮點(diǎn)數(shù)除法運(yùn)算的結(jié)果，即 的值。寄存器D108為運(yùn)算后的結(jié)果，結(jié)果為浮點(diǎn)數(shù)。將D108進(jìn)行DCOS運(yùn)算后所得結(jié)果即為。寄存器D124的值為函數(shù)式中v的當(dāng)前值，脈沖頻率必須為整數(shù)型，所以需通過(guò)程序“DINT D124 D126”將D124轉(zhuǎn)為整數(shù)型，D126即為所需要的當(dāng)前頻率，即運(yùn)行速度。

通過(guò)DDRVI指令將所需要的控制脈沖由Y0和Y1端口輸出，其中D204為脈沖數(shù)。如果需要進(jìn)行減速，則需要提取當(dāng)前已發(fā)脈沖數(shù)再進(jìn)行計(jì)算，DVP-EH3中已發(fā)脈沖數(shù)目寄存器為D1030（Y0 脈沖輸出個(gè)數(shù)Low word）、D1031（Y0 脈沖輸出個(gè)數(shù)High word）、D1032（Y1 脈沖輸出個(gè)數(shù)Low word）和D1033（Y1 脈沖輸出個(gè)數(shù)High word），具體計(jì)算方法本文不做闡述。

參考文獻(xiàn)：

[1]朱曉春，屈波，孫來(lái)業(yè)，汪木蘭.S曲線加減速控制方法研究[J].中國(guó)制造業(yè)信息化，2006（23）.

[2]黃兆斌，黃云龍，余世明.幾種步進(jìn)電機(jī)加減速方法的對(duì)比研究及其應(yīng)用[J].機(jī)電工程，2011（08）.endprint