第九章 定位控制

第九章定位控制一、運動控制簡介二、運動控制與步進電機三、光柵尺四、基于PLC與步進電機的小車自動往返控制五、基于PLC與步進電機的位置閉環(huán)控制一、運動控制簡介1）.以大地坐標系為基本數(shù)學模型，為組合型1-4軸的直角坐標機器人、單軸機械手提供控制功能，可通過示教編程對運動軌跡進行程序序列的創(chuàng)建和修改，具備插補功能，同時可以邏輯化的整合多路IO擴展點以及大地坐標系外的運動軸。2）在數(shù)學坐標系中，可以為非組合型的1-3軸模組電機系統(tǒng)提供控制方案，通過對各軸（在系統(tǒng)中被定義為外軸）進行獨立的參數(shù)設置及示教編程，既可實現(xiàn)各軸的獨立運行，又可設定邏輯聯(lián)動，同樣也可以邏輯化的整合多路IO擴展點。3）多工位運動控制子系統(tǒng)的組合與聯(lián)動：用戶可以使用該系統(tǒng)構(gòu)建多個1-4軸運動控制子系統(tǒng)，并整合成為一個大系統(tǒng)。這其中，各子系統(tǒng)可以通過I/O通訊的方式實現(xiàn)多機位聯(lián)動，如統(tǒng)一生產(chǎn)節(jié)拍、報警急停等，使該系統(tǒng)既保持模塊化的結(jié)構(gòu)，又統(tǒng)一成有機的整體。單速定位DRVI：相對定位指令DRVA：絕對定位指令雙速定位10GM是通過連續(xù)執(zhí)行直線插補指令(LIN)以實現(xiàn)多段速運行20GM只有在兩軸同步模式下才能執(zhí)行多段速運行多段速運行中斷單速定位DVIT：中斷單速定位指令表格設定定位直線插補圓弧插補FX系列晶體管輸出型的基本單元內(nèi)置了高速脈沖輸出功能，可以進行簡單的定位控制。其脈沖的輸出格式為：脈沖+方向。

FX1S,FX1N：2路(Y0,Y1)Max.100kHz(10Hz～100kHz)

FX3U,FX3UC：3路(Y0,Y1,Y2)Max.100kHz(10Hz～100kHz)在FX3U上使用2個FX3U-2HSY-ADP時：Max.200kHz4路(Y0,Y1,Y2,Y3),

可通過開關進行脈沖輸出格式(脈沖+方向或者正/反向脈沖)的切換。配備有專門的定位指令。表格設定定位(僅FX3U(C))DTBL中斷定位(僅FX3U(C))DVIT可變速脈沖輸出PLSV絕對定位DRVA相對定位DRVI讀取ABS當前值

ABS帶DOG搜索的原點回歸(僅FX3U(C))DSZRFX2N-10GM定位單元FX2N-10GM可以獨立工作或者作為PLC的擴展單元使用具備絕對位置檢測功能可以連接集電極開路型(NPN)的手動脈沖發(fā)生器(最大2KHz)可以使用定位專用語言(COD指令)和順控語言或者利用表方法(最大100點)來創(chuàng)建定位程序,也可以通過PLC順控程序(FROM和TO指令)來編寫控制程序使用專用于定位單元的軟件(FX-PCS-VPS/WIN-E)來編程,也可以使用示教面板(E-20TP)來編程可以輸出最大200KHz的高速脈沖脈沖輸出格式為：脈沖+方向或者正/反向脈沖FX2N-10GM可以控制1個軸FX2N-10GM自帶4點輸入和6點輸出FX2N-10GM內(nèi)置3.8K步內(nèi)存(EEPROM)(1軸，1Hz～200kHz)FX2N-20GM定位單元FX2N-20GM可以獨立工作或者作為PLC的擴展單元使用具備絕對位置檢測功能可以連接集電極開路型(NPN)的手動脈沖發(fā)生器(最大2KHz)可以使用定位專用語言(COD指令)和順控語言編寫定位程序,也可以通過PLC順控程序(FROM和TO指令)來編寫控制程序使用專用于定位單元的軟件(FX-PCS-VPS/WIN-E)來編程,也可以使用示教面板(E-20TP)來編程可以輸出最大200KHz的高速脈沖(插補運行時最大為100KHz)脈沖輸出格式為：脈沖+方向或者正/反向脈沖FX2N-20GM可以控制2個軸(兩軸獨立或同步)FX2N-20GM進行兩軸同步控制時,可以使用直線插補、圓弧插補功能實現(xiàn)復雜的定位控制FX2N-20GM自帶8點輸入和8點輸出FX2N-20GM內(nèi)置7.8K步內(nèi)存(RAM)(2軸，1Hz～200kHz)二、運動控制與步進電機1、運動控制

（1）運動控制系統(tǒng)簡介運動控制系統(tǒng)是一門有關如何對物體位置和速度進行精密控制的技術，典型的運動控制系統(tǒng)由三部分組成：控制部分、驅(qū)動部分和執(zhí)行部分。

步進電機的運行要有一電子裝置進行驅(qū)動，這種裝置就是步進電機驅(qū)動器，它是把控制系統(tǒng)發(fā)出的脈沖信號，加以放大以驅(qū)動步進電機。步進電機的轉(zhuǎn)速與脈沖信號的頻率成正比，控制步進電機脈沖信號的頻率，可以對電機精確調(diào)速；控制步進脈沖的個數(shù)，可以對電機精確定位。（2）常用術語

步進角：每輸入一個電脈沖信號時轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過的角度稱為步進角。步進角的大小可直接影響電機的運行精度。

整步：最基本的驅(qū)動方式，這種驅(qū)動方式的每個脈沖使電機移動一個基本步矩角。例如：標準兩相電機的一圈共有200個步矩角，則整步驅(qū)動方式下，每個脈沖使電機移動1.8°。

半步：在單相激磁時，電機轉(zhuǎn)軸停至整步位置上，驅(qū)動器收到下一個脈沖后，如給另一相激磁且保持原來相繼續(xù)處在激磁狀態(tài)，則電機轉(zhuǎn)軸將移動半個基本步矩角，停在相鄰兩個整步位置的中間。如此循環(huán)地對兩相線圈進行單相然后兩相激磁，步進電機將以每個脈沖半個基本步矩角的方式轉(zhuǎn)動。

細分：細分就是指電機運行時的實際步矩角是基本步矩角的幾分之一。如：驅(qū)動器工作在10細分狀態(tài)時，其步矩角只為電機固有步矩角的十分之一，也就是說：當驅(qū)動器工作在不細分的整步狀態(tài)時，控制系統(tǒng)每發(fā)一個步進脈沖，電機轉(zhuǎn)動1.8°，而用細分驅(qū)動器工作在10細分狀態(tài)時，電機只轉(zhuǎn)動了0.18°。細分功能完全是由驅(qū)動器靠精度控制電機的相電流所產(chǎn)生的，與電機無關。2、步進電機

（1）步進電機的選型

a、驅(qū)動器的電流。電流是判斷驅(qū)動器能力大小的依據(jù)，是選擇驅(qū)動器的重要指標之一，通常驅(qū)動器的最大額定電流要略大于電機的額定電流，通常驅(qū)動器有2.0、35、6.0和8.0A。

b、驅(qū)動器的供電電壓。供電電壓是判斷驅(qū)動器升速能力的標志，常規(guī)電壓供給有24V（DC）、40V（DC）、60V（DC）、80V（DC）、110V（AC）、220V（AC）等。

c、驅(qū)動器的細分。細分是控制精度的標志，通過增大細分能改善精度。步進電機都有低頻振蕩的特點，如果電機需要工作在低頻共振區(qū)工作，細分驅(qū)動器是很好的選擇。此外，細分和不細分相比，輸出轉(zhuǎn)矩對各種電機都有不同程度的提升。（2）步進電機驅(qū)動器本系統(tǒng)中采用兩相混合式步進電機驅(qū)動器YKA2404MC細分驅(qū)動器，其外形如圖所示。

（3）步進電機驅(qū)動器的端子與接線（4）．步進電機驅(qū)動器的細分設定YKA2404MC步進電機驅(qū)動器共有6個細分設定開關。三、光柵尺光柵尺位移傳感器（簡稱光柵尺），是利用光柵的光學原理工作的測量反饋裝置。光柵尺位移傳感器經(jīng)常應用于數(shù)控機床的閉環(huán)伺服系統(tǒng)中，可用作直線位移或者角位移的檢測。光柵尺是用來檢測位移的元件，下面以型號為KA-300為例介紹光柵尺的使用。該光柵尺輸出信號為脈沖信號，通過PLC對該高速脈沖進行高速計數(shù)即可實現(xiàn)位移的檢測。KA-300光柵尺的參數(shù)，該光柵尺在物理位置上有三個Z相脈沖輸出點，相臨兩點的距離為50mm，Z相每發(fā)出一個脈沖，A相或B相就發(fā)出2500個脈沖?？赏ㄟ^A相與B相的超前與滯后來分析物體運行的方向。通過PLC對A相或B相的脈沖計數(shù)就可以計算出物體所在的位置。A相、B相正交脈沖與Z相脈沖波形圖如圖所示，在該圖中，A相脈沖超前于B相脈沖。光柵尺與PLC按如圖進行連接。四、例子：步進電機正反轉(zhuǎn)控制

用FX1N--40MTPLC控制步進電機正轉(zhuǎn)與反轉(zhuǎn)。把步進電機驅(qū)動器的D2設置為OFF，即PU為步進脈沖信號，DR為方向控制信號。PLC的Y0輸出高速脈沖至步進電機驅(qū)動器的PU端，Y2控制步進電機反轉(zhuǎn)。對應小車的運行各輸出點分配如下：正轉(zhuǎn)啟動，X0；反轉(zhuǎn)啟動，X1；向左運行，Y0發(fā)脈沖，Y2為OFF；向右運行，Y0發(fā)脈沖，Y2為ON；停止，X10，Y0停止發(fā)脈沖，Y2為OFF。接線圖

手動正反轉(zhuǎn)程序

X0正轉(zhuǎn)

X1反轉(zhuǎn)

X10

停止

Y0脈沖信號

Y2方向信號項目二：運動小車自動往返控制。

按下啟動按鈕后，要求小車能自動往返運行。按下停止按鈕或碰到左右極限開關，小車自動停止。

I/O分配如表示。設Q0.1為OFF時小車往左運行，為ON時小車往右運行。五、基于PLC與步進電機的位置閉環(huán)控制

用PLC的Q0.0向步進電機發(fā)出高速脈沖串，步進電機驅(qū)動器驅(qū)動步進電機帶動小車運行。小車運行軌跡上安裝有位移檢測的DA-300光柵尺，在軌道上安裝有左、右限位開關和原點開關，從原點至右行程限位開關距離小于光柵尺的測量距離。編程實現(xiàn)以下功能：（1）按下回原點按鈕，小車運行至原點后停止，此時小車所處的位置坐標為0。系統(tǒng)啟動運行時，首先必須找一次原點位置。（2）當小車碰到左限位或右限位開關動作時，小車應立即停止。

（3）設定A位置對應坐標值。按下啟動按鈕，小車自動運行到A點后停止5s，再自動返回到原點位置結(jié)束。運行過程中若按停止按鈕則小車立即停止，運行過程結(jié)束。（4）用光柵尺來檢測小車位移。（5）設小車的有效運行軌道為200mm，原點位置坐標為0點。I/O分配及接線圖如圖所示。Q0.0輸出高速脈沖控制小車運行速度，Q0.1控制小車的運行方向。Q0.1為OFF時小車往左運行，為ON時小車往右運行。

分析：用A、B相正交高速計數(shù)器對光柵尺的A、B相輸出脈沖進行高速計數(shù)。對高速計數(shù)器選擇4X計數(shù)速率。則高速計數(shù)器從0計數(shù)到10000個脈沖對應的位移變化為50mm，所以1mm對應的脈沖數(shù)為200個。若設定A位置的坐標值為60mm，則對應的高速