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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
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