第九章 定位控制

第九章定位控制一、運(yùn)動(dòng)控制簡(jiǎn)介二、運(yùn)動(dòng)控制與步進(jìn)電機(jī)三、光柵尺四、基于PLC與步進(jìn)電機(jī)的小車(chē)自動(dòng)往返控制五、基于PLC與步進(jìn)電機(jī)的位置閉環(huán)控制一、運(yùn)動(dòng)控制簡(jiǎn)介1）.以大地坐標(biāo)系為基本數(shù)學(xué)模型，為組合型1-4軸的直角坐標(biāo)機(jī)器人、單軸機(jī)械手提供控制功能，可通過(guò)示教編程對(duì)運(yùn)動(dòng)軌跡進(jìn)行程序序列的創(chuàng)建和修改，具備插補(bǔ)功能，同時(shí)可以邏輯化的整合多路IO擴(kuò)展點(diǎn)以及大地坐標(biāo)系外的運(yùn)動(dòng)軸。2）在數(shù)學(xué)坐標(biāo)系中，可以為非組合型的1-3軸模組電機(jī)系統(tǒng)提供控制方案，通過(guò)對(duì)各軸（在系統(tǒng)中被定義為外軸）進(jìn)行獨(dú)立的參數(shù)設(shè)置及示教編程，既可實(shí)現(xiàn)各軸的獨(dú)立運(yùn)行，又可設(shè)定邏輯聯(lián)動(dòng)，同樣也可以邏輯化的整合多路IO擴(kuò)展點(diǎn)。3）多工位運(yùn)動(dòng)控制子系統(tǒng)的組合與聯(lián)動(dòng)：用戶(hù)可以使用該系統(tǒng)構(gòu)建多個(gè)1-4軸運(yùn)動(dòng)控制子系統(tǒng)，并整合成為一個(gè)大系統(tǒng)。這其中，各子系統(tǒng)可以通過(guò)I/O通訊的方式實(shí)現(xiàn)多機(jī)位聯(lián)動(dòng)，如統(tǒng)一生產(chǎn)節(jié)拍、報(bào)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(jī)的整體。單速定位DRVI：相對(duì)定位指令DRVA：絕對(duì)定位指令雙速定位10GM是通過(guò)連續(xù)執(zhí)行直線插補(bǔ)指令(LIN)以實(shí)現(xiàn)多段速運(yùn)行20GM只有在兩軸同步模式下才能執(zhí)行多段速運(yùn)行多段速運(yùn)行中斷單速定位DVIT：中斷單速定位指令表格設(shè)定定位直線插補(bǔ)圓弧插補(bǔ)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(jìn)行簡(jiǎn)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(gè)FX3U-2HSY-ADP時(shí)：Max.200kHz4路(Y0,Y1,Y2,Y3),

可通過(guò)開(kāi)關(guān)進(jìn)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(zhuān)門(mén)的定位指令。表格設(shè)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(duì)定位DRVA相對(duì)定位DRVI讀取ABS當(dāng)前值

ABS帶DOG搜索的原點(diǎn)回歸(僅FX3U(C))DSZRFX2N-10GM定位單元FX2N-10GM可以獨(dú)立工作或者作為PLC的擴(kuò)展單元使用具備絕對(duì)位置檢測(cè)功能可以連接集電極開(kāi)路型(NPN)的手動(dòng)脈沖發(fā)生器(最大2KHz)可以使用定位專(zhuān)用語(yǔ)言(COD指令)和順控語(yǔ)言或者利用表方法(最大100點(diǎn))來(lái)創(chuàng)建定位程序,也可以通過(guò)PLC順控程序(FROM和TO指令)來(lái)編寫(xiě)控制程序使用專(zhuān)用于定位單元的軟件(FX-PCS-VPS/WIN-E)來(lái)編程,也可以使用示教面板(E-20TP)來(lái)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(gè)軸FX2N-10GM自帶4點(diǎn)輸入和6點(diǎn)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(dú)立工作或者作為PLC的擴(kuò)展單元使用具備絕對(duì)位置檢測(cè)功能可以連接集電極開(kāi)路型(NPN)的手動(dòng)脈沖發(fā)生器(最大2KHz)可以使用定位專(zhuān)用語(yǔ)言(COD指令)和順控語(yǔ)言編寫(xiě)定位程序,也可以通過(guò)PLC順控程序(FROM和TO指令)來(lái)編寫(xiě)控制程序使用專(zhuān)用于定位單元的軟件(FX-PCS-VPS/WIN-E)來(lái)編程,也可以使用示教面板(E-20TP)來(lái)編程可以輸出最大200KHz的高速脈沖(插補(bǔ)運(yùn)行時(shí)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(gè)軸(兩軸獨(dú)立或同步)FX2N-20GM進(jìn)行兩軸同步控制時(shí),可以使用直線插補(bǔ)、圓弧插補(bǔ)功能實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的定位控制FX2N-20GM自帶8點(diǎn)輸入和8點(diǎn)輸出FX2N-20GM內(nèi)置7.8K步內(nèi)存(RAM)(2軸，1Hz～200kHz)二、運(yùn)動(dòng)控制與步進(jìn)電機(jī)1、運(yùn)動(dòng)控制

（1）運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)簡(jiǎn)介運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)是一門(mén)有關(guān)如何對(duì)物體位置和速度進(jìn)行精密控制的技術(shù)，典型的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)由三部分組成：控制部分、驅(qū)動(dòng)部分和執(zhí)行部分。

步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)行要有一電子裝置進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，這種裝置就是步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，它是把控制系統(tǒng)發(fā)出的脈沖信號(hào)，加以放大以驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)。步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速與脈沖信號(hào)的頻率成正比，控制步進(jìn)電機(jī)脈沖信號(hào)的頻率，可以對(duì)電機(jī)精確調(diào)速；控制步進(jìn)脈沖的個(gè)數(shù)，可以對(duì)電機(jī)精確定位。（2）常用術(shù)語(yǔ)

步進(jìn)角：每輸入一個(gè)電脈沖信號(hào)時(shí)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過(guò)的角度稱(chēng)為步進(jìn)角。步進(jìn)角的大小可直接影響電機(jī)的運(yùn)行精度。

整步：最基本的驅(qū)動(dòng)方式，這種驅(qū)動(dòng)方式的每個(gè)脈沖使電機(jī)移動(dòng)一個(gè)基本步矩角。例如：標(biāo)準(zhǔn)兩相電機(jī)的一圈共有200個(gè)步矩角，則整步驅(qū)動(dòng)方式下，每個(gè)脈沖使電機(jī)移動(dòng)1.8°。

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

細(xì)分：細(xì)分就是指電機(jī)運(yùn)行時(shí)的實(shí)際步矩角是基本步矩角的幾分之一。如：驅(qū)動(dòng)器工作在10細(xì)分狀態(tài)時(shí)，其步矩角只為電機(jī)固有步矩角的十分之一，也就是說(shuō)：當(dāng)驅(qū)動(dòng)器工作在不細(xì)分的整步狀態(tài)時(shí)，控制系統(tǒng)每發(fā)一個(gè)步進(jìn)脈沖，電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)1.8°，而用細(xì)分驅(qū)動(dòng)器工作在10細(xì)分狀態(tài)時(shí)，電機(jī)只轉(zhuǎn)動(dòng)了0.18°。細(xì)分功能完全是由驅(qū)動(dòng)器靠精度控制電機(jī)的相電流所產(chǎn)生的，與電機(jī)無(wú)關(guān)。2、步進(jìn)電機(jī)

（1）步進(jìn)電機(jī)的選型

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

b、驅(qū)動(dòng)器的供電電壓。供電電壓是判斷驅(qū)動(dòng)器升速能力的標(biāo)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(dòng)器的細(xì)分。細(xì)分是控制精度的標(biāo)志，通過(guò)增大細(xì)分能改善精度。步進(jìn)電機(jī)都有低頻振蕩的特點(diǎn)，如果電機(jī)需要工作在低頻共振區(qū)工作，細(xì)分驅(qū)動(dòng)器是很好的選擇。此外，細(xì)分和不細(xì)分相比，輸出轉(zhuǎn)矩對(duì)各種電機(jī)都有不同程度的提升。（2）步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器本系統(tǒng)中采用兩相混合式步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器YKA2404MC細(xì)分驅(qū)動(dòng)器，其外形如圖所示。

（3）步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的端子與接線（4）．步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的細(xì)分設(shè)定YKA2404MC步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器共有6個(gè)細(xì)分設(shè)定開(kāi)關(guān)。三、光柵尺光柵尺位移傳感器（簡(jiǎn)稱(chēng)光柵尺），是利用光柵的光學(xué)原理工作的測(cè)量反饋裝置。光柵尺位移傳感器經(jīng)常應(yīng)用于數(shù)控機(jī)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(cè)。光柵尺是用來(lái)檢測(cè)位移的元件，下面以型號(hào)為KA-300為例介紹光柵尺的使用。該光柵尺輸出信號(hào)為脈沖信號(hào)，通過(guò)PLC對(duì)該高速脈沖進(jìn)行高速計(jì)數(shù)即可實(shí)現(xiàn)位移的檢測(cè)。KA-300光柵尺的參數(shù)，該光柵尺在物理位置上有三個(gè)Z相脈沖輸出點(diǎn)，相臨兩點(diǎn)的距離為50mm，Z相每發(fā)出一個(gè)脈沖，A相或B相就發(fā)出2500個(gè)脈沖。可通過(guò)A相與B相的超前與滯后來(lái)分析物體運(yùn)行的方向。通過(guò)PLC對(duì)A相或B相的脈沖計(jì)數(shù)就可以計(jì)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(jìn)行連接。四、例子：步進(jìn)電機(jī)正反轉(zhuǎn)控制

用FX1N--40MTPLC控制步進(jìn)電機(jī)正轉(zhuǎn)與反轉(zhuǎn)。把步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的D2設(shè)置為OFF，即PU為步進(jìn)脈沖信號(hào)，DR為方向控制信號(hào)。PLC的Y0輸出高速脈沖至步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的PU端，Y2控制步進(jìn)電機(jī)反轉(zhuǎn)。對(duì)應(yīng)小車(chē)的運(yùn)行各輸出點(diǎn)分配如下：正轉(zhuǎn)啟動(dòng)，X0；反轉(zhuǎn)啟動(dòng)，X1；向左運(yùn)行，Y0發(fā)脈沖，Y2為OFF；向右運(yùn)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(dòng)正反轉(zhuǎn)程序

X0正轉(zhuǎn)

X1反轉(zhuǎn)

X10

停止

Y0脈沖信號(hào)

Y2方向信號(hào)項(xiàng)目二：運(yùn)動(dòng)小車(chē)自動(dòng)往返控制。

按下啟動(dòng)按鈕后，要求小車(chē)能自動(dòng)往返運(yùn)行。按下停止按鈕或碰到左右極限開(kāi)關(guān)，小車(chē)自動(dòng)停止。

I/O分配如表示。設(shè)Q0.1為OFF時(shí)小車(chē)往左運(yùn)行，為ON時(shí)小車(chē)往右運(yùn)行。五、基于PLC與步進(jìn)電機(jī)的位置閉環(huán)控制

用PLC的Q0.0向步進(jìn)電機(jī)發(fā)出高速脈沖串，步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)小車(chē)運(yùn)行。小車(chē)運(yùn)行軌跡上安裝有位移檢測(cè)的DA-300光柵尺，在軌道上安裝有左、右限位開(kāi)關(guān)和原點(diǎn)開(kāi)關(guān)，從原點(diǎn)至右行程限位開(kāi)關(guān)距離小于光柵尺的測(cè)量距離。編程實(shí)現(xiàn)以下功能：（1）按下回原點(diǎn)按鈕，小車(chē)運(yùn)行至原點(diǎn)后停止，此時(shí)小車(chē)所處的位置坐標(biāo)為0。系統(tǒng)啟動(dòng)運(yùn)行時(shí)，首先必須找一次原點(diǎn)位置。（2）當(dāng)小車(chē)碰到左限位或右限位開(kāi)關(guān)動(dòng)作時(shí)，小車(chē)應(yīng)立即停止。

（3）設(shè)定A位置對(duì)應(yīng)坐標(biāo)值。按下啟動(dòng)按鈕，小車(chē)自動(dòng)運(yùn)行到A點(diǎn)后停止5s，再自動(dòng)返回到原點(diǎn)位置結(jié)束。運(yùn)行過(guò)程中若按停止按鈕則小車(chē)立即停止，運(yùn)行過(guò)程結(jié)束。（4）用光柵尺來(lái)檢測(cè)小車(chē)位移。（5）設(shè)小車(chē)的有效運(yùn)行軌道為200mm，原點(diǎn)位置坐標(biāo)為0點(diǎn)。I/O分配及接線圖如圖所示。Q0.0輸出高速脈沖控制小車(chē)運(yùn)行速度，Q0.1控制小車(chē)的運(yùn)行方向。Q0.1為OFF時(shí)小車(chē)往左運(yùn)行，為ON時(shí)小車(chē)往右運(yùn)行。

分析：用A、B相正交高速計(jì)數(shù)器對(duì)光柵尺的A、B相輸出脈沖進(jìn)行高速計(jì)數(shù)。對(duì)高速計(jì)數(shù)器選擇4X計(jì)數(shù)速率。則高速計(jì)數(shù)器從0計(jì)數(shù)到10000個(gè)脈沖對(duì)應(yīng)的位移變化為50mm，所以1mm對(duì)應(yīng)的脈沖數(shù)為200個(gè)。若設(shè)定A位置的坐標(biāo)值為60mm，則對(duì)應(yīng)的高速