以貨物倉儲(chǔ)系統(tǒng)中的對(duì)直線導(dǎo)軌的定位控制設(shè)計(jì)為例加以說明。在倉儲(chǔ)系統(tǒng)中，要求由步進(jìn)電機(jī)拖動(dòng)直線導(dǎo)軌將料塊送到指定的倉庫門口。假設(shè)從起點(diǎn)到終點(diǎn)的運(yùn)送距離為100 mm，即要求由步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)導(dǎo)軌作直線運(yùn)動(dòng)，定位距離為100 mm。為實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確定位，系統(tǒng)采用西門子S7-200系列CPU226型PLC、四通57BYG250C混合式步進(jìn)電機(jī)和森創(chuàng)SH-20403步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器等設(shè)備。其中CPU226型PLC的CPU有兩個(gè)脈沖發(fā)生器，分別是Q0.0端子和Q0.1端子。這兩個(gè)端子均可輸出PTO/PWM高速脈沖信，脈沖頻率可達(dá)20 kHz。根據(jù)控制要求，系統(tǒng)擬采用高速脈沖串輸出PTO功能，PTO功能可輸出一定脈沖個(gè)數(shù)和占空比為50%的方波信號(hào)。輸出脈沖的周期以μs或ms為增量單位。PTO功能允許多個(gè)脈沖串排隊(duì)輸出，從而形成流水線。流水線分為兩種：單段流水線和多段流水線。

為了消除電機(jī)的低頻振蕩，提高分辨率，采用了步進(jìn)電機(jī)細(xì)分驅(qū)動(dòng)器，驅(qū)動(dòng)步距角為0.9°/1.8°，脈沖細(xì)分?jǐn)?shù)設(shè)定為4。為保證速度和定位精度要求，步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行一般要經(jīng)歷三個(gè)過程，即啟動(dòng)加速、恒速運(yùn)行和接近定位點(diǎn)時(shí)的減速運(yùn)行。為了維護(hù)步進(jìn)電機(jī)以及驅(qū)動(dòng)設(shè)備，要求驅(qū)動(dòng)脈沖頻率也線性增大，所以，本定位控制系統(tǒng)采用多管線操作，控制電機(jī)的運(yùn)行過程。設(shè)直線導(dǎo)軌起始位置在A點(diǎn)，現(xiàn)欲從A點(diǎn)移至D點(diǎn)，其中AD=100 mm。定位精度只與步進(jìn)電機(jī)脈沖當(dāng)量有關(guān)，取脈沖當(dāng)量為0.11 mm/脈沖，則需要900個(gè)脈沖完成定位。步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行過程中，要從A點(diǎn)加速到B點(diǎn)后恒速運(yùn)行，又從C點(diǎn)開始減速到D點(diǎn)完成定位過程用200個(gè)脈沖完成升頻加速，500個(gè)脈沖恒速運(yùn)行，200個(gè)脈沖完成降頻減速。如圖2所示。

　　因此確定PTO為3段脈沖管線(AB，BC，CD)。設(shè)最大脈沖頻率為1 kHz，將16#A0寫入控制字節(jié)SMB67，允許多段PTO脈沖輸出，時(shí)基為μs級(jí)，建立3段脈沖的包絡(luò)表并對(duì)各段參數(shù)分別設(shè)置，給定段的周期增量按下式計(jì)算：

　　給定段的周期增量=(該段結(jié)束時(shí)的周期值-該段初始的周期值)/該段脈沖數(shù)

　　包絡(luò)表結(jié)構(gòu)如表1所示。

　　參考程序如圖3所示。

　　這種控制方式屬于對(duì)步進(jìn)電機(jī)的一種開環(huán)控制，其優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單、成本低、定位準(zhǔn)確、易于實(shí)現(xiàn)等。

　　2.3 控制系統(tǒng)在設(shè)計(jì)與實(shí)施過程中的注意事項(xiàng)

　　(1)PLC類型的選擇。首先，PLC必須是可以輸出高速脈沖的晶體管輸出形式。其次，PLC輸出最高脈沖頻率大小必須滿足控制要求。

　　(2)步進(jìn)電機(jī)脈沖細(xì)分驅(qū)動(dòng)器的選擇及參數(shù)設(shè)置。

　　(3)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的選擇。首先考慮的是步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的類型選擇，其次才是品種選擇，根據(jù)系統(tǒng)要求，確定步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的電壓值、電流值以及有無定位轉(zhuǎn)矩和使用螺栓機(jī)構(gòu)的定位裝置，從而就可以確定步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的相數(shù)和拍數(shù)。在進(jìn)行步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的品種選擇時(shí)，要綜合考慮速比i、軸向力F、負(fù)載轉(zhuǎn)矩Ti、額定轉(zhuǎn)矩TN和運(yùn)行頻率fy，以確定步進(jìn)電機(jī)的具體規(guī)格和控制裝置。

　　(4)脈沖當(dāng)量的計(jì)算。

　　3 利用PLC的其他方式實(shí)現(xiàn)的準(zhǔn)確定位

　　3.1 利用PLC的PID指令及軟、硬件配合實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確定位

　　例如在氣缸精確定位控制系統(tǒng)中，由PLC、電磁閥、光柵尺、氣缸組成一個(gè)閉環(huán)控制系統(tǒng)。其中PLC作為控制運(yùn)算中心，光柵尺作為檢測(cè)裝置檢測(cè)氣缸活塞移動(dòng)量，并將檢測(cè)結(jié)果通過PLC的模擬量輸入端子反饋到PLC內(nèi)部，與設(shè)定值比較，并進(jìn)行PID調(diào)節(jié)，PID運(yùn)算結(jié)果通過PLC的繼電器輸出接口驅(qū)動(dòng)交流或直流電磁閥，由電磁閥的開關(guān)改變氣缸活塞移動(dòng)的流量，使氣缸準(zhǔn)確運(yùn)動(dòng)到目標(biāo)位置，達(dá)到準(zhǔn)確定位的目的。

　　3.2 利用PLC的EM253模塊實(shí)現(xiàn)的準(zhǔn)確定位

　　EM253位控模塊是S7-200的特殊功能模塊，它能夠產(chǎn)生脈沖串，用于步進(jìn)電機(jī)和伺服電機(jī)的速度和位置開環(huán)控制。它與S7-200系列PLC通過擴(kuò)展的I/O總線通訊。它帶有八個(gè)數(shù)字輸出，在I/O的組態(tài)中作為智能模塊，可提供單軸、開環(huán)移動(dòng)控制所需要的功能和性能。提供高速控制，12～200 000脈沖/s。STEP7-Micro/WIN為位置控制模塊的組態(tài)和編程提供了位置控制向?qū)В梢陨山M態(tài)/包絡(luò)表和位置控制指令，配置EM253的運(yùn)動(dòng)參數(shù)、運(yùn)動(dòng)軌跡包絡(luò)等。

　　4 結(jié)語

　　實(shí)踐證明，本文提出的由PLC、旋轉(zhuǎn)編碼器、伺服電機(jī)等組成的準(zhǔn)確定位控制系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡單、性價(jià)比高、易于實(shí)現(xiàn)等優(yōu)點(diǎn)，可廣泛地應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)及軍事領(lǐng)域。