控制系统 《微计算机信息（测控白动化2010年第26卷第2-1期 文罩编号：10-0570201002-1-0062-1日 用PLC基本指令实现自动运动定位控制的研究 The research of the Automatic Positioning Control Based on the PLC basic order 也大的杨东黄永红张新华吉敬华 YANGi Dong HUANGi Yong-hong ZHANGi Xin-am JI Jitg-hua 扬里：详述了用鬥汇的高法计数动鑫这脓冲输出9令P/雅基本指争买观白动运动定控的拉制。系瓷深用用：的T) 输出直接丽问步注申机丽动器，增量型蜂特解码号和导规杆机构形皮阳环控制采烧。比黄白动屈动定位控制在设有采用同 服控制瓶统及数控裂能的情况下，仅用小型工作控制主机.能保证一定的定位精度、较真的运行速率和较大移动距离总 多能实现两轴忍硝定控的白动运动定笪捏制。该方法可大大降低白动运动定位应用门握，对大幅捉高白动足位应用面具行 十分重卖的意义一 美雕词：A动定位：PLC:PTO/PW让乡进电机：导螺杆：埔的圈 中图分变号：1P23 文慧标积马：A Abstract:The PLC high-speed counting and high-speed pulse outpat PTO/PWM basic instructions for sutomtic posinoning oentml is intmdered in details.This syhers ues the PI.PTO cupt dirertly drive epper motor drives.inenmemal mary encoder and ebody.and the closed-loop coneml eyten is fomed.The sytem onls ues the PIC can achieve fhat the postinning accuracy at 0.5um.higher operating rates ad greater mon distance.and can achieve the largest to-ais movemert automatic poitioning otedl under the cenditinn of no using servo oarnd dem ard the numrriral contml yslem.This mnd can peatly nuen th pplicatien doemill of atmatio metirn heain-reatrol.and hive pa simnificance uhil inem te applicafnn coicn Key wurds:automalic lucalioe;PLC;PTO/PWM;Mepper mulor;srew body;encuder 1引言 所示的系绕根图为川工拉制密珠纹杆魏碍酬运动定位乘领糕 图图中步进电机帮列世打旋转銘杆紧种再使寒母箱后移动，螺 在白动运动定位控中果控结度妻长授高，面H多数 母移动的胆离和淳度酒试定转增量海码器域TTL型光插尺等 还有露动速度要求，一敏采用（眼控制系领及用个对作的数控 AB相正交增量实码测师仪进行测量，端量积技高速计数储铅 定位系乾米实观白动精府定位。以上控制系绕屈然功能完吾 入到H工川C通过高速给出款冲申指令T0拉制步进电机矩 控腹特度高但一眼价格比较昂贷聚晚健护比议复你且数拉系 动琴运行，步进电机随着少进电机更动唇发出的涨冲使电机正 烧的运动轨迹跟综功能对于目标定位来说也十分多名。如果用 转成反排.发整动喝输出的款冲线率求定电机的其遮裤动螺母 步速燕统实现同做控刷系统及数控定位燕梳的功能，完成快速、 准建达到传致的定位点。非醒比机花可家民统杆旋基，瓷杆的宽 齐精度的白动定位控机，不仅可以大帽降低系统成本里重整的 转排分螺得沿导杆轴向作直线运动。嵊每直线运动的更离就是 是可以大大提高白动精痛定位的成用面.对提高一假设备的生 根据超动输出的款冲数认定。由于高速体申输出指令T0 产效书和产品质量是十分有意义的。 爱生墨的家以管线功偃可以拉行仅培表，想么据母复可以技国 用C控制的步进运功控侧系统又分丙科情况.一和是用 设定的运行规测达到定管点镜定及赵回果点镜定。其中仅分 型心的专用运动控制及运动定位模块，另一种是直接利用工 200CU225减有4个AB制正交高速计数器，可以满足多袖运 的高速款输出指令平WN进行控刷。前一神方法整塔出 动定位控制的位置测量.但s7-200CL226桃块只有0.0和 专用露动定位模块提高了控测成本因比没有太多的改进要： (0.1两位高速体输出，所以这类运动定位系统最多就是两物 而后·户方法如果俺满足·品动定位拉制需题.风能进步 运动定位控队，完全可以不用全功倥的数控荔统用本义介绍的 降低成本扩大运清定位心用面。因此本文只深时弟二种1C拉 运动定位白对控制系统不仅能达到精度，速度的要求，而且可以 制运司定位方法，在不增加任匀专用恼位置定位控制模块销况 泽底域本和拉术垂度 下，实现南任号行的鬥C滋动定位控例，即用小型到C机.步速 电机及属动墨及母器组成近动定位控制乘至， 2利用PLC基本指令实现自动运动 定位控制系统的原理 重表 本文以丙门子7-20C作为主青景机加以介胡.如图1 围1C控制滚珠丝杆螺母刷运动定位控制系统框图 杨东：工程师 3利用PLC的PTO指令实现导螺杆 基金明日：落金申请人：朱是秋、杨点、黄素红：江苏人竿精品 运动定位控制 课程基金责功JPKC24Y1) 从黛面介邻的直线白动运动定位控制系统的组成和工作 o:.3洲不先年夏阅导8286 Elni Publis hing动House..All righ6 reservd. 儿蜗总规技术应用0侧》
技 术 创 新 《微计算机信息》(测控自动化)2010 年第 26 卷第 2-1 期 360元 / 年 邮局订阅号：82-946 《现场总线技术应用 200 例》 控 制 系 统 用 PLC 基本指令实现自动运动定位控制的研究 The research of the Automatic Positioning Control Based on the PLC basic order (江苏大学) 杨 东 黄永红 张新华 吉敬华 YANG Dong HUANG Yong-hong ZHANG Xin-hua J I Jing-hua 摘要: 详 述 了 用 PLC 的高速计数和高速脉冲输出指令 PTO/PWM 基本指令实现自动运动定位的控制 。 系 统 采 用 PLC 的 PTO 输出直接驱动步进电机驱动器、增量型旋转编码器和导螺杆机构形成闭环控制系统 。 此类自动运动定位控制在没有采用伺 服控制系统及数控系统的情况下,仅 用 小 型 PLC 作 控 制 主 机,能保证一定的定位精度 、较高的运行速率和较大移动距离,最 多能实现两轴运动定位的自动运动定位控制 。 该方法可大大降低自动运动定位应用门槛,对大幅提高自动定位应用面具有 十分重要的意义。 关键词: 自动定位; PLC; PTO / PWM; 步进电机; 导螺杆; 编码器 中图分类号: TP23 文献标识码: A Abstract: The PLC high -speed counting and high -speed pulse output PTO/PWM basic instructions for automatic positioning control is introduced in details. This system uses the PLC PTO output directly drive stepper motor drives, incremental rotary encoder and screw body, and the closed -loop control system is formed. The system only uses the PLC can achieve that the positioning accuracy at 0.5μm, higher operating rates and greater motion distance , and can achieve the largest two -axis movement automatic positioning control under the condition of no using servo control system and the numerical control system. This method can greatly reduce the application doorsill of automatic motion location-control, and have great significance to substantial increase the applications occasion. Key words: automatic location; PLC; PTO/PWM; stepper motor; screw body; encoder 文章编号:1008-0570(2010)02-1-0062-03 1 引言 在自动运动定位控制中如果控制精度要求较高, 而且多数 还有运动速度要求, 一般采用伺服控制系统及用全功能的数控 定位系统来实现自动精确定位。以上控制系统虽然功能完善、 控制精度高,但一般价格比较昂贵,系统维护比较复杂,且数控系 统的运动轨迹跟踪功能对于目标定位来说也十分多余。如果用 步进系统实现伺服控制系统及数控定位系统的功能,完成快速、 高精度的自动定位控制,不仅可以大幅降低系统成本,更重要的 是可以大大提高自动精确定位的应用面, 对提高一般设备的生 产效率和产品质量是十分有意义的。 用 PLC 控制的步进运动控制系统又分两种情况,一种是用 PLC 的专用运动控制及运动定位模块, 另一种是直接利用 PLC 的高速脉冲输出指令 PTO/PWM 进行控制。前一种方法要增加 专用运动定位模块,提高了控制成本,因此没有太多的改进必要; 而后一种方法如果能满足一般运动定位控制需要, 就能进一步 降低成本扩大运动定位应用面。因此本文只探讨第二种 PLC 控 制运动定位方法, 在不增加任何专用的位置定位控制模块情况 下,实现简便易行的 PLC 运动定位控制,即用小型 PLC 机、步进 电机及驱动器及编码器组成运动定位控制系统。 2 利 用 PLC 基 本 指 令 实 现 自 动 运 动 定位控制系统的原理 本文以西门子 S7-200 PLC 作为主背景机加以介绍。如图 1 所示的系统框图为 PLC 控制滚珠丝杆螺母副运动定位系统框 图,图中步进电机带动丝杆旋转,丝杆旋转再使螺母前后移动,螺 母移动的距离和速度通过旋转增量编码器或 TTL 型光栅尺等 AB 相正交增量编码测距仪进行测量。增量码按高速计数端输 入到 PLC,PLC 通过高速输出脉冲串指令 PTO 控制步进电机驱 动器运行, 步进电机随着步进电机驱动器发出的脉冲使电机正 转或反转、按驱动器输出的脉冲频率决定电机的转速,推动螺母 准确达到预设的定位点。步进电机带动滚珠丝杆旋转,丝杆的旋 转推动螺母沿导杆轴向作直线运动, 螺母直线运动的距离就是 根据驱动器输出的脉冲数决定。由于高速脉冲串输出指令 PTO 发生器的多段管线功能,可以执行包络表,那么螺母就可以按照 设定的运行规则达到定位点锁定及返回原点锁定。其中,仅 S7- 200 CPU226 就有 4 个 AB 相正交高速计数器,可以满足多轴运 动定位控制的位置测量。但 S7-200 CPU226 模块只有 Q0.0 和 Q0.1 两位高速脉冲输出,所以这类运动定位系统最多就是两轴 运动定位控制,完全可以不用全功能的数控系统,用本文介绍的 运动定位自动控制系统不仅能达到精度、速度的要求,而且可以 降低成本和技术难度。 图 1 PLC 控制滚珠丝杆螺母副运动定位控制系统框图 3 利用 PLC 的 PTO 指令实现导螺杆 运动定位控制 从前面介绍的直线自动运动定位控制系统的组成和工作 杨 东: 工程师 基金 项 目: 基 金 申 请人: 朱 熀 秋、杨 东、黄 永红; 江 苏 大学 精 品 课程基金资助(JPKC2004Y01) - - 62
医的论文到两发院士关注 控制系统 原弹案看，运动定位主要暖能按原设的运动速度准确到达定位 玉1位置反演控认的实凤 点，菲进途中多点定位，以及包超中途定位后“寸温“后等续前 如何联利用四的多段操作，义实现团环控针：理仍以 进并作快速准确这目零点甲执行税设的包格图，图3.图4恰 图3为例说明测野采用端号型旋转篇码恩或T印输出的光橱 出了准确达到定堂点刚逐回零点的两张色路图。这丙张包路图 尺，其中允围尺可以直按测量“螺母”移动距离在或少回有谈差 退用了直线运动定位控的最关键芹请定位和日零的嫁拜： 方面优于能传编码图。测更仪的A山相正文增量写情号按奇烛 加减计数器湖号的地址输入到心。筹通过面板成输入的设定 值由杜序换算成献冲数，并依然按P口的多发燥作授置域包络 表机式要实现位置反使控制关健是要将图3包锦图的最后一 段底速定位爱)的冰神数知上一个大于全程允许误差的林补数， 最后整高速计数海SC0和HSC1的CY四当前值=设定 产生中断，步进电机按镜定使“源评”根累室杯测量植产生定位， 从百实现需要的位置反绩控制。屈然阳3是最简单约运动定位 批强密子想蝉件显罪甲 直线空定灯爱系缓 其泡如中逢定位后寸退”后莲续营连等多点定位钓控制，只要定 ×大量食 位点的废包路表段加众盘一由中新产生定位”包络表没数 图2直线定位实验系统云意图 在5段以下)的小达处理，均能实集预过定位控制.知果中滋定位 三相步进电机的步距角0严1.8，更动器5倍细分1步走 点较名阀络表段数在5段以上也可用多个单段m实现。 电机来动电源高速物出频率为10球H:滚珠丝杠罐母的峡矩 33“螺母”回零他控啊的实现 为5mm:耀母的有效行程为-32■m定位行样60-32m:罐 上一假内容许述了系：统实现位置反黄拉制的原见，但“螺 母的绝对行湿为-4-360m常量第码语琳冲频卓为10 母”问零位与运动定位有许多不月。因为零位”是所有运动定 4 位的螺点须保材物珠零位始终是壁一的回零拉制与采用何 筑违中速 种测更仪有限大关系。以最常见的光爆尺和增量轮传编写器为 12h 一一一一写 例采用光：尺过行位置测量不存在累积吴差因为光情尺是笔 对位置测量，利用光悟尺上的Z相罗位体冲就可以使高速计数 器短他实现螺母回零枚的控制， 如果采月更为常用的增量资转等码委法行位蓝测量，虽然 它是实际利量，但它安装在丝杆的一端是常爸杆餐传依据螺议 绿透味G 1的解车竹 离 国 的螺距刊接测量判斯最香移动的矩离.是运对位置的相时测量 卡带为1生在 4格因 望程点珍前 存花原点零位账积误整问愿。这时如果仅基高速计数各数值 图3螺母前进琳中频率发排 ▣零，无法保正维对期点的雨进后温计数墨打减的熬冲数完 全相等也威是高速计数墨不可能从D开始计数回到D点正好 废别如果用按近开关充当计数写复位速电景换近厅关与各 返料中谁 仲薄矩仪的精度不是一个数量级核近开关位置轴度低触发的 上升沿的物理位置的茜度蚁年，使螺母”不能精确日到零位健 定，也不论保正惊点桔度。针对上迷情祝，策采用一定的补效当 编酒除妇对测量产华的需朝误草，可利用密转编写器的Z妇即 饭点信号成和进行回零位操作，月时还展利用螺点篷比情物理 零悦的侣号，即图2中的日0光由开关”，其消除累机遂婆的工 取点特藤ē信号 作期理如图5所示即利用保点膝电经解决范对期点的问恩，利 用兼转编码器的Z和眼点信号解决眼点继屯露的精度向恩，在 这双置条朴下，基本可以很好地解决增量轮传编码器相对测量 图4用使书编时谷测量时螺母适可肤冲颜省 产生的累积误整问愿其工作过程是，在当触片“能发原点继电 安排及双重条件归零原理图 31H工的PU轮出控运动定位分析 各的输出时，爆母片始降建行走当行走速度降至最低速后，氨 点第由特在某一时刻输出下降沿，在下降沿后由的第一个乙相 爱执行围3的自洛表.的由心经提可利用57-2加的眯科 原点信号触发原点中断。其中口0凳电开关的安教位置在绝对 中轮出指◆下T进行控朗品然0的多段操牛生执行包络用 原点的黄方略大于一个算距的包置.触片的境度要禄证原点胜 格式但是直接应用这个功能只是按包格闺控制5输出然冲， 电器输出味宽略“宽”于一个螺距的距离印可。 该指令并非真正的位置闭环控制。开环拉制不能调足位置运动 控要求因为仅从运动误艺的角度考忠，虽然滚珠饮杆螺母显， 4PIC基本指令控制的运动定位精 的精度崔高，但塘纹以必然存在间果、写动机构存在制造误整， 度分析 刊C及更动唇有可使玉失或误增味神、步进电机可能失步，步 从该系统的组成来看，首先号螺杆的险杆采用精度很高的 进电机据动格步矩角闭分情度不据、蒸烧根性等许多进城运动 速珠堂杆.位置测量仪的分佛室与测量精度直接有关，光播尺的 定位控制保差钓因素，所以此类控制的反演情号必观是实际测 精度一粒最高可达05、增益突组与晋一整量高每转休冲 距倍号。 可达0所甚至更高。这找输入，输出款冲确率与运动机构 PLC技术的四20例》 emie Joural Electronie Publishing House.A 529463元年-6品-
邮局订阅号：82-946 360 元 / 年 技 术 创 新 控 制 系 统 《PLC 技术应用 200 例》 您的论文得到两院院士关注 原理来看, 运动定位主要要能按预设的运动速度准确到达定位 点、前进途中多点定位、以及包括中途定位后“寸退”后继续前 进,并能(快速)准确返回零点,即执行预设的包络图。图 3、图 4 给 出了准确达到定位点和返回零点的两张包络图, 这两张包络图 说明了直线运动定位控制的最关键精确定位和归零的原理。 图 2 直线定位实验系统示意图 三相步进电机的步距角：0.9°/1.8°，驱动器 5 倍细分；步进 电机驱动电源高速输出频率为 10KHz；滚珠丝杠螺母副的螺距 为 5mm；螺母的有效行程为 0～320mm 定位行程 60～320mm；螺 母的绝对行程为-40～360mm；增量编码器脉冲频率为 1000P/r。 图 3 螺母前进脉冲频率安排 3.1 PLC 的 PTO 输出控制运动定位分析 要执行图 3 的包络表,前面已经提到可利用 S7-200 的脉冲 串输出指令(PTO)进行控制,虽然 PTO 的多段操作能执行包络图 格式,但是直接应用这个功能只是按包络图控制 PLS 输出脉冲, 该指令并非真正的位置闭环控制。开环控制不能满足位置运动 控制要求,因为仅从运动误差的角度考虑,虽然滚珠丝杆螺母副 的精度很高,但螺纹副必然存在间隙、驱动机构存在制造误差、 PLC 及驱动器有可能丢失或误增脉冲、步进电机可能失步、步 进电机驱动器步距角细分精度不够、系统惯性等许多造成运动 定位控制误差的因素, 所以此类控制的反馈信号必须是实际测 距信号。 3.2 位置反馈控制的实现 如何既利用 PTO 的多段操作,又能实现闭环控制?现仍以 图 3 为例说明,测距采用增量型旋转编码器或 TTL 输出的光栅 尺,其中光栅尺可以直接测量“螺母”移动距离,在减少固有误差 方面优于旋转编码器。测距仪的 AB 相正交增量码信号按高速 加减计数器编号的地址输入到 PLC。将通过面板或输入的设定 值由程序换算成脉冲数,并依然按 PTO 的多段操作设置成包络 表模式,要实现位置反馈控制,关键是要将图 3 包络图的最后一 段(低速定位段)的脉冲数加上一个大于全程允许误差的脉冲数, 最后靠高速计数器 HSC0 和 HSC1 的 CV=PV (当前值=设定值) 产生中断,步进电机被锁定,使“螺母”根据实际测量值产生定位, 从而实现需要的位置反馈控制。虽然图 3 是最简单的运动定位, 其他如中途定位后“寸退”后继续前进等多点定位的控制,只要定 位点均按“包络表段加余量——由中断产生定位”(包络表段数 在 25 段以下)的办法处理,均能实现预设定位控制,如果中途定位 点较多(包络表段数在 25 段以上)也可用多个单段 PTO 实现。 3.3“螺母”回零位控制的实现 上一段内容详述了系统实现位置反馈控制的原理, 但“螺 母”回零位与运动定位有许多不同。因为“零位”是所有运动定 位的“原点”,须保持物理零位始终是唯一的。回零控制与采用何 种测距仪有很大关系, 以最常见的光栅尺和增量旋转编码器为 例,采用光栅尺进行位置测量不存在累积误差,因为光栅尺是绝 对位置测量, 利用光栅尺上的 Z 相零位脉冲就可以使高速计数 器复位,实现“螺母”回零位的控制。 如果采用更为常用的增量旋转编码器进行位置测量, 虽然 它是实际测量,但它安装在丝杆的一端,是靠丝杆旋转依据螺纹 的螺距间接测量判断螺母移动的距离,是运动位置的相对测量, 存在原点零位累积误差问题。这时如果仅靠高速计数器计数值 回零,无法保证绝对原点的前进/后退(计数器加/减)的脉冲数完 全相等,也就是高速计数器不可能从 0 开始计数,回到 0 点正好 减到 0;如果用接近开关充当计数器复位继电器,接近开关与各 种测距仪的精度不是一个数量级(接近开关位置精度低),触发的 上升沿的物理位置的精度较低,使“螺母”不能精确回到零位锁 定,也不能保证原点精度。针对上述情况,须采用一定的补救措 施消除相对测量产生的累积误差。可利用旋转编码器的 Z 相即 原点信号脉冲进行回零位操作, 同时还要利用原点继电器物理 零位的信号,即图 2 中的“归 0 光电开关”,其消除累积误差的工 作原理如图 3 所示,即利用原点继电器解决绝对原点的问题,利 用旋转编码器的 Z 相原点信号解决原点继电器的精度问题,在 这双重条件下, 基本可以很好地解决增量旋转编码器相对测量 产生的累积误差问题。其工作过程是,在当“触片”触发原点继电 器的输出时“, 螺母”开始降速行走,当行走速度降至最低速后,原 点继电器在某一时刻输出下降沿, 在下降沿后面的第一个 Z 相 原点信号触发原点中断。其中归 0 光电开关的安装位置在绝对 原点的前方略大于一个螺距的位置, 触片的宽度要保证原点继 电器输出脉宽略“宽”于一个螺距的距离即可。 4 PLC 基 本 指 令 控 制 的 运 动 定 位 精 度分析 从该系统的组成来看, 首先导螺杆的丝杆采用精度很高的 滚珠丝杆。位置测量仪的分辨率与测量精度直接有关,光栅尺的 精度一般最高可达 0.0005, 增量旋转编码器一般最高每转脉冲 可达 10000P/r 甚至更高。这些输入/输出脉冲频率与运动机构 图 4 用旋转编码器测量时螺母返回脉冲频率 安排及双重条件归零原理图 - - 63
控制系饶 (做计算机信息（测控日动化2010年第26套第2-1别 的遥动事率有关因为测禁仪普输出的增量码是通过用C:高 白动化.200.2 输入到高速计世号中.所以测操仪器的分街率再高也要受高 廖凳.川C编样爱应同北京机装工化出表社2 建输入最高候书的限制.如夏向计数西门子S7-00的机内计 4]旧光喻黄钓等.用冈C实观运动板材的精确定长切们徽计 数器量高计数城省是20以山.=菱X1N2.欧姆龙、富士等日 算机信26,8-19判-12. 系小型倒C等都是如贱比：。色就是而统运动定位村度版说取决 作者简介：杨东：男，195对2生有24年从事电气伸工型C的实 于测量仪齿分桃率，工高这计数告的最高达补输人频率和 验教学和研完开发工作，工程师：黄水红，女190年3月生18 “据年”运动魂率的三位一体设计，如图2所示的数道将量紧转 年于江苏大学家顿上学位果为江方大学在织情士，江苏大学电 编码器每周输出那冲为100所.计算“螺母”行光最高速率得 气信息工程学院教师，制特校，丰妻研究方白内过和餐数格圈. 50m倒沙注电机10，拉杆的螺距为5mm.这样旋增仪的最高 速旗控制与优化 检出款冲频率为10味业填顿率在月的市场上任意小型C高 Biography:YANG:Dng:Male,(1958.2-).mm 24 yvans an en 建计数卷上裂颜率以内，因化该茶统位置测层桔度为Q05m: god in coctrical/eectriim /PLC the esperineat teaching a 所以位置测章结度主是受利于件工输入颜率上影值知果用荒 the nscarch kvelptsenl wuek 转架写经连行位置测量，可以将将周物出称冲数增如，步进电机 212山13江苏头学电气后忽工理学院)防东黄素红张新华 传边降低牡杆螺面降〔扇在高速计数馨最高输入烦米%北 吉整华 下，系兵统收省测#精座最高可达0.0005。 (Schoul of Flectrical and Infu mtion Engineering.Jiangs U. 与"螺母”运动定位直接有关的是步过电机动5，步速电 iversity,212013,Chin Dong HLANG Yong-hong ZHANG Xin-hua JI Jing-hua 机的夕距角和玉动容的步更角年分精度，如图2所示的系统，步 酒深带址：212013江苏者镇江市学有路301#江苏大学三区2 进电帆的步距角为1，网整岁，步距角细分度为5（最高闲分度可 株2室)畅东 达256岁进出机1000m银高可达5引200，这些议定了步是 k国日阴32.：修种日用3月05.0可 电机留动事分的分清率。但经运动足位芹度还量（于1C高 速味冲输出量高须率，阴动馨能楼受控制鉴的量高输入规率， 上接宽05真 程序中断婚记的时间.机构的制造精度议及采筑的测量桥度等 作者简介：学张1954-人女汉装可北出山人，河南农业大学机电 条朴根据它，的糖合设计最锋决定系统的制度。7-即的反 下程学院图我汉预士主要从事先进制造技术、机电控侧等方向 大*冲频率物出000，Q0岂为2kH可阁2系统的更动图着 的叶究和教字工作：王玲(1然1.女汉河商西华人河南衣业大 入率也为20k以三菱等日系小教C达10五以上。从上 学机电工程学院功航机士卧乳方向为信号校调及集成拉术， 述指标裳者氣镜运动定位精摩丰零曼于鬥C富建k冲输出 bogrupby山Ya(I54.auk山e mtiutality).bn in 最高候半及邪动器伦校受控制器的最高输入侧韦，因比图2系 HeBei prowvince.associae prodesser in College of Mechimeal& 统“螺母”最锋运诗定位精度为Q005m。与测量精度同夏.此类 Electnnic Engineenng.Henan Agultee Laiversity.master 系统螺母"运动定位精度最高可达0.6005 degee.Reseomh field-Advance fabeicate sechnolegy and ma- 5结束语 ohmne-electmnic control. (45000健河向表业大学机电工程学硫享燕王0唐豫摇 要实现莱珠丝杆最纹弘、浪压打、气动缸等的白动运动定 通闲地址：4002河南农业大学机电工程学宽)李声 位必领酒过洲量.亚动，运动执行机构.川C控制性序输入黛 收新口粉2网以四修析口湖34%网 出等综合设计才能实璞。但梁用风C基本指令实现的滋司定位 系第不像当拉系统环样是全程限碗的超补拉术是丰直工意义 (上接第152页 上的全程反馈控制系晚它是一种蜂点口标定位并可以多点定 范华中，张帕虎，得德图棕处避按术在火始且标提夏中的应 位收置反读控制。要实观这种白时定位如本文所提出的，必缓 川.电光与控制32006 保证二个美健点：末端实羡距离定位、保持0点位置的程定步 图丘夷文张相文.一种新的图像候凸特证提取方法.哈尔筑工 进电帆地角组分度与定转痛供齿每转款冲数川步。其中保转 业大学学极.2004 0点伦置约2只最为关键.实强该关键点的关量技术为本文鞋 性枪虹，高仗，曾浩.基于颜色和形状特红的口标检测与识 别.系北电力学满李报.2005 创。正同为它不用数拉及何服控制系筑使其技术及经济门性大 L0啊感朱虹，季瑞强.妒障火南图像弹处拜的M4B实取， 大降低只要能保E定位精度，运行递度，运行距离就能在许多 做计疗机信息.20m5-3:306-307 应用易合整代数控及同服控制系统。实际干程中有很多的应用 作者简介：葛12-男湖南人，刹南大学比气与信皂工程学 场在如白动车、洗德，靡床的过刀，白动插件，靠装、装等的 院电子样学与拉术专业候士研究生，野究方向为两格通信：王 终点目标定位，拉可以果用参照本文介绍的方法实影白动城伦， 片女湖南人，情大学漱市大学电气与信息工程学院我投， 因此该研究具有银好的实或意义和际用价值。 HiographyCE1eg(19w2一）✉d,Hmm,the College of 本文作者创新点：氯用C基木折令实现的运动定位系免 Klertrical and Irfimitirn F-nginerrin&Henan Univerily,Ma- 的=项关健技术，即末端实测距离定位、保持0点位置豹稳定、 jor in Netvork Crenmunieation; 多达电机步矩物闭分度与定其编写4每转脉冲数可步. (41阳2湖南淘南大学地气与信息工程学院高用王染 参考文候 CThe CoBege of Eleetrieal and Information Engineering.Hunan [任晓室周府炎，孟丽单.步注电机间环控制的纤究)法阳工 University,Changsha 41002,Chima)GF Yong WANG Ling 业字条学报.20但222 通讯地址：(41002装南大学天马公寓3区9核51帅葛两 2]产良文.应用运动色利榜块41实瑰位盈环控小出气 收相日附0m以11修期m0:1 o4-3不流等项间导：*3 Elecronie Puhfishing House.All rights reerved 【联执线校术应用200侧》
技 术 创 新 《微计算机信息》(测控自动化)2010 年第 26 卷第 2-1 期 360元 / 年 邮局订阅号：82-946 《现场总线技术应用 200 例》 控 制 系 统 的运动速率有关,因为测量仪器输出的增量码要通过 PLC 高速 输入到高速计数器中, 所以测量仪器的分辨率再高也要受到高 速输入最高频率的限制,如双向计数,西门子 S7-200 的机内计 数器最高计数频率是 20kHz,三菱 FX1N/2N、欧姆龙、富士等日 系小型 PLC 等都是 30kHz。也就是系统运动定位精度最终取决 于测量仪器分辨率、PLC 高速计数器的最高脉冲输入频率和 “螺母”运动速率的三位一体设计。如图 2 所示的装置,增量旋转 编码器每周输出脉冲为 1000P/r,计算“螺母”行走最高速率得 50mm/s(步进电机 10r/s,丝杆的螺距为 5mm),这样旋增仪的最高 输出脉冲频率为 10kHz, 该频率在目前市场上任意小型 PLC 高 速计数器上限频率以内,因此该系统位置测量精度为 0.005mm。 所以位置测量精度主要受制于 PLC 输入频率上限值,如果用旋 转编码器进行位置测量,可以将每周输出脉冲数增加、步进电机 转速降低,丝杆螺距降低,则在高速计数器最高输入频率 20kHz 下,该系统位置测量精度最高可达 0.0005mm。 与“螺母”运动定位直接有关的是步进电机驱动器、步进电 机的步距角和驱动器的步距角细分精度。如图 2 所示的系统,步 进电机的步距角为 1.8°/整步,步距角细分度为 5(最高细分度可 达 256),步进电机 1000P/r(最高可达 51200P/r),这些决定了步进 电机驱动部分的分辨率。但系统运动定位精度还受制于 PLC 高 速脉冲输出最高频率、驱动器能接受控制器的最高输入频率、 程序中断延迟的时间、机构的制造精度以及系统的测量精度等 条件,根据它们的综合设计最终决定系统的精度。S7-200 的最 大脉冲频率输出(Q0.0、Q0.1)也为 20kHz(图 2 系统的驱动器输 入频率也为 20kHz),三菱等日系小型 PLC 达 100kHz 以上。从上 述指标来看系统运动定位精度主要受制于 PLC 高速脉冲输出 最高频率及驱动器能接受控制器的最高输入频率, 因此图 2 系 统“螺母”最终运动定位精度为 0.005mm。与测量精度同理,此类 系统“螺母”运动定位精度最高可达 0.0005mm。 5 结束语 要实现滚珠丝杆螺纹副、液压缸、气动缸等的自动运动定 位,必须通过测量、驱动、运动执行机构、PLC 控制程序/输入/输 出等综合设计才能实现。但采用 PLC 基本指令实现的运动定位 系统,不像数控系统那样是全程跟踪的插补技术,是非真正意义 上的全程反馈控制系统,它是一种终点目标定位(并可以多点定 位)位置反馈控制。要实现这种自动定位如本文所提出的,必须 保证三个关键点:末端实测距离定位、保持 0 点位置的稳定,步 进电机步距角细分度与旋转编码器每转脉冲数同步。其中保持 0 点位置的稳定最为关键, 实现该关键点的关键技术为本文独 创。正因为它不用数控及伺服控制系统,使其技术及经济门槛大 大降低,只要能保证定位精度、运行速度、运行距离,就能在许多 应用场合替代数控及伺服控制系统。实际工程中有很多的应用 场合,如自动车、铣、镗、磨床的进刀,自动插件、灌装、装配等的 终点目标定位,均可以采用参照本文介绍的方法实现自动地位, 因此该研究具有很好的实践意义和应用价值。 本文作者创新点: 采用 PLC 基本指令实现的运动定位系统 的三项关键技术,即末端实测距离定位、保持 0 点位置的稳定、 步进电机步距角细分度与旋转编码器每转脉冲数同步。 参考文献 [1]任晓宏、周启炎、孟丽荣. 步进电机闭环控制的研究[J].沈阳工 业学院学报.2003.22(2) [2]严良文.应用运动控制模块 PP41 实现位置闭环控制[J].电气 自动化.2007.2 [3]廖常初. PLC 编程及应用[M].北京.机械工业出版社.2002 [4]吕光,喻莉莉等.用 PLC 实现运动板材的精确定长切割[J].微计 算机信息,2006,8-1:99-102。 作者简介:杨东: 男,1958.2 生,有 24 年从事电气/电工/PLC 的实 验教学和研究开发工作,工程师; 黄永红,女,1970 年 3 月生,1998 年于江苏大学获硕士学位,现为江苏大学在职博士,江苏大学电 气信息工程学院教师,副教授,主要研究方向为过程参数检测、 建模、控制与优化。 Biography:YANG Dong: Male,(1958.2-), some 24 years are engaged in electrical/electrician /PLC the experiment teaching and the research development work, engineer. (212013 江苏大学电气信息工程 学 院) 杨 东 黄 永红 张 新 华 吉敬华 (School of Electrical and Information Engineering, Jiangsu University, 212013, China) YANG Dong HUANG Yong-hong ZHANG Xin-hua JI Jing-hua 通讯地址:(212013 江苏省镇江市学府路 301# 江苏大学三区 02 栋 202 室) 杨 东 (收稿日期:2009.02.03)(修稿日期:2009.05.03) (上接第 106 页) 作者简介:李燕(1954-),女(汉族),河北唐山人,河南农业大学机电 工程学院副教授,硕士,主要从事先进制造技术、机电控制等方向 的研究和教学工作; 王玲(1980-),女(汉),河南西华人,河南农业大 学机电工程学院助教,硕士,研究方向为信号检测及集成技术。 Biography:LI Yan(1954 -), female(the han nationality), bron in HeBei province, associate professor in College of Mechanical & Electronic Engineering, Henan Agriculture University, master degree, Research field:Advance fabricate technology and machine-electronic control. (450002 河南农业大学机电工程学院) 李 燕 王 玲 唐豫桂 通讯地址:(450002 河南农业大学机电工程学院) 李 燕 (收稿日期:2009.03.09)(修稿日期:2009.06.09) (上接第 132 页) [7]范华中,张伯虎,冯艳. 图像处理技术在火焰目标提取中的应 用. 电光与控制。2006 [8]丘兆文,张田文. 一种新的图像颜色特征提取方法. 哈尔滨工 业大学学报. 2004 [9]杜艳红,高庆吉,曾浩. 基于颜色和形状特征的目标检测与识 别. 东北电力学院学报. 2005 [10]周鹏,朱虹,季瑞瑞. 炉膛火焰图像预处理的 MATLAB 实现, 微计算机信息, 2007,6-3:306-307 作者简介:葛勇(1982-),男,湖南人,湖南大学电气与信息工程学 院电子科学与技术专业硕士研究生, 研究方向为网络通信; 王 玲,女,湖南人,湖南大学湖南大学电气与信息工程学院教授。 Biography:GE Yong (1982—) male, Hunan, the College of Electrical and Information E -ngineering&Hunan University, Major in Network Communication; (410082 湖南 湖南大学电气与信息工程学院) 葛 勇 王 玲 (The College of Electrical and Information Engineering, Hunan University, Changsha 410082, China) GE Yong WANG Ling 通讯地址:(410082 湖南大学天马公寓 3 区 9 栋 510#) 葛 勇 (收稿日期:2009.03.11)(修稿日期:2009.06.11) - - 64