PLC与步进电机组成的精确移动系统

２０１２年０５月第１４期　Ｓｃｉｅｎｃｅ＆Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　Ｖｉｓｉｏｎ　科技视界　机械与电子　

ＰＬＣ与步进电机组成的精确移动系统　

温宗礼　

（广东技术师范学院广东广州５１０６３５）　

【摘要】本文以应用于实际的项目’为例子，介绍ＰＬＣ与步进电机为核心组成的移动定位系统。　

【关键词】半闭环控制系￣；ＰＬＣ；步进电机；高速脉冲串输出　

【Ａｂｓｔｒａｃｔ］Ｔｈｉｓ　ｐａｐｅｒ　ａｐｐｌｉｅｄ　ｔｏ　ｔｈｅ　ａｃｔｕａｌ　ｐｒｏｊｅｃｔ　ａｓ　ａｎ　ｅｘａｍｐｌｅ，Ｉｎｔｒｏｄｕｃｔｉｏｎ　ＰＬＣ　ａｎｄ　ｓｔｅｐｐｉｎｇ　ｍｏｔｏｒ　ａｓ　ｔｈｅ　ｃｏｒｅ　ｃｏｍｐｏｎｅｎｔ　

ｏｆ　ｔｈｅ　ｍｏｂｉｌｅ　ｐｏｓｉｔｉｏｎｉｎｇ　ｓｙｓｔｅｍ．　【Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ］Ｓｅｍｉ　ｃｌｏｓｅｄ　ｌｏｏｐ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｓｙｓｔｅｍ；ＰＬＣ；Ｓｔｅｐｐｉｎｇ　ｍｏｔｏｒ；Ｈｉｇｈ　ｓｐｅｅｄ　ｐｕｌｓｅ　ｔｒａｉｎ　ｏｕｔｐｕｔ　

０前言　２系统构成　

目前．步进电机已应用于需要高精度定位，精密调速和　

力矩控制的众多领域，它的使用需要有相应的驱动系统（驱　

动器）和控制系统与之匹配，是典型的机电一体化产品。本文　

以西门子ＰＬＣ作为控制系统。采用北京和利时公司的步进电　

机和驱动器（原“四通电机”）组成的半闭环控制系统，进行精　

确行走定位控制。　

１　设计要求　

某检测中心要求开发一套“吸收钳自动走行导轨装置”　

供其在检测某产品时使用．主要要求有：　

１．１　以一定的速率在６米长的轨道上往复移动，速度为　

４０ｍｍ／ｓ；　１．２计算机通过ＲＳ２３２－－ＲＳ４８５接口发出指令控制，使功率　

钳从任一点位置移动到任一其它位置，位置准确度￣ｌｍｍ；　

１．３功率钳托架控制方式：１）全程自动运行一个往复；２）设　

定开始、停止位置运行一个往复；３）手动控制单方向运动；　

１．４其它要求略，各部件尺寸关系如（图１）所示。　

图１　２．１本系统由计算机通过串行通信口发送相关指令给ＰＬＣ，　

ＰＬＣ接收到后控制步进电机按要求移动，并将移动的距离实　

时回送到计算机同步显示出来，而测量用的分析仪器在这过　

程中进行数据分析（如图１）。整套系统采用半闭环控制系统　

（如图２），反馈信号取自ＰＬＣ输出点和步进电机转动轴两个　

地方。　

图２　

２．２传动机构　

工作台的运行行程较长（６米），为了增大驱动力矩和保　

证精度，采用的是同步齿形带传动，它既有啮合传动的优点：　

传动过程无相对滑动，能保持恒定的传动比，传动精度高；同　

时又具有带传动的优点：传动工作平稳，无噪声，有良好的减　

振性能，无需润滑。因此这种传动机构在传动精度要求比较　

高的地方使用是比较适合的。　

３　ＰＬＣ对步进电机的控制　

３．１　ＰＬＣ与步进驱动器的物理连接　

由于步进电机驱动器是共阳极接线方式，与一般ＰＬＣ的　接线有冲突，上网查找后按图３接法可以解决此问题，或者　

使用信号转换模块解决。　

３．２高速脉冲输出（ＰＴＯ）　

ＰＴＯ。是ＰＬＣ用来输出指定数量的方波（占空比固定　

作者简介：温宗礼（１９７５一），广东清远人，实验教师，研究方向为自动化、电气工程。　

１　８。ｌ科技视界ｓｃ　ＥＮｃＥ＆ＴＥｃＨＮ。Ｌ。ＧＹ　Ｖ　ｓ　

。Ｎ　机械与电子　Ｓｃｉｅｎｃｅ＆Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　Ｖｉｓｉｏｎ　科技视界　２０１２年０５月第１４期　

图３　

５０％），用户可以控制方波的周期和脉冲数，而产生的每一个　

方波就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度（即　

步距角。一般为０．９度或１．８度）。这样我们就可以控制脉冲　

个数来控制角位移量，从而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，从而　

达到调速的目的。在这里我们主要选择ＰＴＯ的多段管线功　

能，多段管线是指建立一个运行包络表，设置电机一个运行　

过程的多个参数，保证输出的平稳性和连续性。设置参数其　

实主要是确定周期和脉冲数。对应移动的速度和移动的位　

移。我们把电机的运行过程确定为三个段：启动、恒速运行、　

停止。如图４　

频率　（ＫＨｚ　

图４　

周期值：经过理论计算和使用千分尺实际测量．得出步　

进电机经减速箱后，转一圈使工作台所移动的位移为９５ｍｍ。　

步进电机驱动器选择８细分模式，转一圈需要１６００个脉冲。　

因此我们得出，要达到电机４０ｍｍ／ｓ的速度，需６７３．４个脉冲／　

每秒，即６７３．４Ｈｚ／ｓ，周期为１４８５ｕｓ。　

脉冲数：总脉冲数由移动的位移转换得到，如要移动　

２００ｍｍ，则ＰＬＣ要发出３３６８个（２００／９５＂１６００）脉冲。　

３．３信号反馈环节　

为了排除机械传动环节的非线性对系统稳定性的影响．　

本系统采用了半闭环系统，反馈信号来自两个地方。１）一个　

取自ＰＬＣ输出端ＱＯ．０，发一个脉冲就计数一次．属于精细反　

馈。把ＱＯ．０和输入端１０．０直接连接．利用高速计数器ＨＳＣ　

指令统计发出的脉冲数，并将此数据发送给计算机同步显　

示；２）另一反馈信号安装在减速箱的转动轴上．每转动一圈　

反馈一个信号给ＰＬＣ，用于验证转的圈数是否正确，属于粗　

反馈　

４　ＰＬＣ和上位机的通信　西门子ＰＬＣ通信功能十分强大，具有通用协议、ＰＰＩ协　

议、ＭＰＩ协议、ＰｒｏｆｉＢｂｕｓ协议和自由口协议。为了方便以后扩　

充。我们选择了自由Ｅｌ协议，它是指通过用户程序在自定义　

的协议下控制ＰＬＣ主机通过通信口端口与其他设备进行通　

信。自由口模式下，通信不单可以自由定义，而且简单，发送　

数据使用ＸＭＴ指令，一次可发送最多２５５个字符，发送完后　

会产生中断。接收数据有两种，一种是使用ＲＣＶ指令，与发　

送指令配对使用，功能设置十分详细；另一种是利用字符中　

断控制接收数据，它是每接收到一个字符都会产生一次中　

断．并存在指定的字符缓冲区ＳＭ２中。这种方式更加灵活方　

便．对于定长数据、接收数据量也不是很大的情况下十分适　

用。因此我们选择了这种接收方式。（参考所附程序）　

ＰＣ上位机采用ＶＢ语言来编写，画面简洁，一目了然。串　

行通信利用ＭＳＣｏｍｍ控件编写，此控件使用广泛，网上资料　

也很详细。我们把设置的参数和ＰＬＣ自定义的参数要对应一　

致。在实际使用中，我们遇到了一个这样的问题，就是在带硬　

件串１：３的计算机中数据接收和发送接收都很正常，但在使用　

ＵＳＢ转换成串口连接线中（现在手提电脑一般都不再带串　

口），偶尔会发生数据接收不到的现象，经用软件测试，发生　

概率在１／１０００左右。如果发生关键数据接收不到，会严重影　

响系统的稳定性。后经反复修改测试，在接收数据处理时放　

宽标准，同时加强判断力度，并加入适当延时后，测试和使用　

都没再出现接收不到数据的现象。　

本系统生成的控制画面如图５。　

图５　

本文介绍的系统已经在实验中使用。经一段时间实际运　

行，效果良好、稳定。将控制系统ＰＬＣ和驱动系统相结合，可　

以为现代工业生产带来控制的精细化和检测的自动化。ｅ　

【参考文献】　［１］龚建伟技术主页：ｗｗｗ．ｇｊｗｔｅｃｈ．ｃｏｒｎ／ｓｅｒｉａｌｃｏｍｍ．ｈｔｍ［ＯＬ］．　

［２］ＳＩＭＡＴＩＣ　ｓ７—２００可编程序控制器系统手册［ｚ］．西门子（中国）有　限公司．　

［责任编辑：王静］　

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