利用PLC高速计数模块进行轴定位

1引言

在数控系统中,如切削机床工作时,往往对刀具的进给速度及移动位置进行控制,不少

PLC产品中配置了轴定位模块,用来专门控制步进电机或伺服电机的运转,对于某些PLC,当没有步进电机控制模块或PLC本身带有高速计数输入点时,也可以用高速计数方法来实现轴定位,轴定位系统控制的主要对象是位置,一般情况下,电机的转动用传动机械转化为被控对象的直线运动。

2 轴定位原理

常一个定位命令要求轴上零件移动到另一位置时,模块先计算一个理论的时间速度图。然后以这个时间速度图控制轴,使之最后达到规定的位置。典型的时间速度图是一个梯形,也就是说,轴先以用户设定的加速度a匀加速度运动,直至达到用户设定速度v,然后匀速运动一定的时间,再以用户设定的加速度a匀减速运动,直到速度变为0。速度到0时,轴移动的距离正好是命令规定的值Δp。

据时间速度图,可以计算出相应一个时间位置图。对于不带旋转编码器的开环步进控制模块,速度命令脉冲就以时间速度图的值输出,当Δp个脉冲全部输出以后停止输出。

在以旋转编码器作位置反馈的闭环控制方式中,每一时刻,时间位置图上的位置为基准值,旋转编码器反馈回来的是实际值,这两者之差即为位置误差。用位置误差和位置环增益的乘积作为速度命令输出。这种控制方法能够保证最终定位的位置误差接近0。因为这是一种无偏差控制,只要有误差,就会有消除这个误差的速度,一直到误差变为0。

用这种方法控制时,位置误差越大,电机的转速就越高。位置误差不改变时,电机以匀速转动。位置误差变小时,电机就减速。要电机停止运动,位置误差必须为0。

在定位运动过程中,电机的最大速度不会超过理论速度最大值。因为在运动过程开始时,位置误差从0慢慢变大,速度命令值也慢慢变大,电机转速提高。在理论加速阶段,速度命令值总是比理论速度小。所以,随着位置误差不断积累,速度命令值不断变大,电机也逐渐加速。在匀速阶段,如果速度命令还小于理论速度,那么位置误差还会增大,速度命令值也会增大。但增大的极限是速度命令值等于理论速度。当两者相等时,位置误差不再变大,电机以理论速度运转。在减速阶段,速度命令的减速比理论速度慢,于是位置误逐渐变小,相应地速度命令值也变小。当理论速度为0时,以前积累的位置误差还没有减少至0,所以还有速度命令输出。这个输出到位置误差为0时才会结束。

两个速度曲线以下的面积即为运动的位移量,两者是相等的。

这两个速度的关系可以用以下公式表示:

vR(t)=〔∫vT(t)dt-∫vR(t)dt〕f或

式中:vR(t)—实际速度；

vT(t)—理论速度；

f—位置环增益,是时间的倒数值。

上述关系式的通解是:

vR(t)=v0e-ft

式中,v0为某一常数。当速度vT(t)为常数时,特解为:

vR(t)=v0e-ft+vT(t)

式中如果vT(t)为常数,当t足够大时,vR(t)=vT(t),即实际速度等于理论速度。只要e-ft足够小,实际速度对理论速度的跟随误差等于0。

3 高速计数

PLC的高速计数模块可读取普通的输入点读取不到的高速脉冲,并对之进行计数,使用脉冲输出功能和脉冲序列指令型伺服电机马达配合,可构成轴定位装置。

SZ-4型PLC的高速计数模块使用Z-CTIF,在加减计数器中,可进行多达24个设定值区域的多段设定,进行计数时,计数值和设定值比较,在允许中断的状态下,当设定值和计数值一致时,则中断当前处理转去执行中断程序,中断程序执行完,则返回被中断处继续往下执行。

在驱动丝杠转动进行轴定位时,可有二种方法进行控制:一是进行均匀加速,到匀速运动,再到减速的过程,如图3(b)所示,开始时以200pps的速度动作,在1秒钟时间内加速至2kpps,以2kpps的恒定速度动作,在即将到达定位位置时进行减速,减速时间也为1秒,在1秒内速度减为0,定位动作结束,到达指定位置。另一种方法是进行多段加减速逼近的方式,如图3(a)所示,定位开始时以200pps速度加速移动100个脉冲距离,再以400pps的速度加速移动200个脉冲距离,又以600pps的速度加速移动300个脉冲距离,稳定动作阶段以800pps的速度移动1800个脉冲距离,然后减速运行,先以600pps的速度减速移动300个脉冲距离。再以400pps的速度减速移动200个脉冲距离,又以200pps的速度减速移动100个脉冲距离,最后速变为0,结束定位动作,共移动了3000个脉冲的距离。

4 应用实例

轴定位系统选用SZ-4模块式PLC,该型号的PLC是属于超小型的可编程序控制器,使用比较方便,系统选用高速计数模块Z-CTIF一块,8点输入模块Z-8ND1一块,8点输出模块Z-8TD1一块。输出端与变频马达相联,由马达驱动丝杠的转动,丝杠的转动次数由旋转编码器检测,旋转编码器的结果送PLC的高速计数模块,在具体梯形图编制时,以多段加减速方式处理比较方便,把多段设定值放在寄存器中,当丝杠转动达到设定脉冲数时,马达变速运转,起动时先加速,然后平稳转动,最后减速至定位位置。变速部分的指令放在中断程序中,每当计数值与设定值一致时,特殊功能寄存器变为ON,执行中断指令。

系统多段设定值寄存器开始处为R3630,把四档速度值输入到R3630-R3633内。

输入输出模块的分配:

I10:起动开关

I11:停止开关

Q10:变频速度1

Q11:变频速度2

Q12:变频速度3

Q13:变频速度4

Q14:变频起动(ON)/制动(OFF)

5 结论

用高速计数模块实现的轴定位功能可普遍用于自动化设备中,如数控车床或其他需要确定

位置的场合,对于行程的控制比较精确。当然对于定位复杂的情况,梯形图编制稍微有点复杂,这时最好使用专用的步进电机控制模块或伺服电机控制模块。但是对于如SH系列的PLC来说,它们本身带有二点高速计数功能,而且由于是整体式PLC,较难扩展步进电机控制模块,利用上述方法就有很大的应用价值和较高的性能价格比。

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