在自動化和控制系統(tǒng)中，運動控制器和可編程邏輯控制器(PLC)扮演著至關重要的角色。盡管它們經(jīng)常被用于實現(xiàn)工業(yè)機械的自動化控制，但它們的設計目標、功能和應用范圍存在顯著差異。在工業(yè)自動化領域當中，運動控制一直是PLC應用領域當中的重要組成部分。運動控制器專門設計用于精密地控制機械運動的軌跡、速度、加速度和位置。這些設備通常用于要求高精度和復雜運動控制的場合，如機器人臂、CNC機床、半導體制造設備和其他自動化裝配線。運動控制器強調(diào)高速、精確的點對點移動，以及多軸協(xié)調(diào)運動的能力。而步進電機由于其性能穩(wěn)定、響應速度快、運行平穩(wěn)、噪音低等特點，被廣泛應用在有精度要求的定位控制場合。對于絕大多數(shù)步進控制系統(tǒng)，都使用的是開環(huán)控制，因為控制簡單。

有些情況下，增加編碼器的方式，組成步進閉環(huán)控制系統(tǒng)，既能降低設備體積，還可以減少步進電機丟步的風險，相比伺服系統(tǒng)成本更低。本文以西門子PLC為控制器，結合編碼器和步進電機組成閉環(huán)系統(tǒng)，以供參考。

1.系統(tǒng)硬件組成

因為需要組成步進閉環(huán)系統(tǒng)，所以在選取PLC的時候，需要滿足兩個條件，支持脈沖輸出，支持高速計數(shù)器輸入。在這里使用S7-200 SMART ST20，它具有2個100KHz的脈沖輸出，6個高速計數(shù)器，滿足步進閉環(huán)控制的性能要求。

步進電機使用研控步進電機YK57HB76-04A，該電機步距角為1.8°，保持轉矩為2.0 N.m。驅動器使用配套的型號YKE2405M，電流在1.5-4.0A可調(diào)，細分可在400-40000之間設置。在本項目中，細分設置為1000，即PLC發(fā)送1000個脈沖，電機旋轉一圈。

由于閉環(huán)的需要，需要使用一款編碼器，這里選取歐姆龍的增量編碼器E6B2-CWZ6C 1000P/R 3M，其分辨率為1000脈沖/圈，將其直接安裝在步進電機的輸出軸上。

綜上所述，那么我們可以得到該步進控制系統(tǒng)的關系：PLC發(fā)送一千個脈沖，步進電機旋轉一圈，編碼器也旋轉一圈。

為了更好的發(fā)送脈沖的輸入指令，通常使用觸摸屏。觸摸屏輸入脈沖指令，給到PLC，PLC再發(fā)送給步進驅動器，步進驅動器驅動電機。完成一系列的控制。在實際應用的時候，為了操作員的易讀懂、方便度量，通常將輸入的單位轉化為毫米。本案使用的是絲桿結構，導程為10mm，即發(fā)送1000脈沖，電機移動10mm。本機以威綸通的觸摸屏MT8051IP作為參數(shù)輸入界面，當輸入長度為P時，指令脈沖的數(shù)量為Q = 100P，步進電機運轉時編碼器的反饋脈沖為F，F(xiàn)=Q。總的系統(tǒng)硬件方框圖如圖1示：

圖1 系統(tǒng)硬件方框圖片描述

2.系統(tǒng)主要控制功能

系統(tǒng)控制軟件功能包括長度與指令脈沖換算，位置控制參數(shù)設定及定位控制，脈沖反饋及閉環(huán)控制，超差處理等

圖2 系統(tǒng)軟件框圖

• （一）運動控制向導
  

為了將長度單位與脈沖指令進行換算，S7-200 SMART 提供了一個運動向導的工具，這個工具可以快速的將工程單位轉化成步進驅動器相對應的控制脈沖。本案中步進的脈沖細分為1000，導程為10mm，所以在進行運動控制向導的時候，設置方法如圖3所示：

圖3 步進測量系統(tǒng)

• （二）位置指令參數(shù)設定
  

當使用運動控制向導設置完畢之后，會自從生成對應的功能塊，在進行定位控制的時候，調(diào)用相對應的功能塊即可。需要注意的是，使用絕對定位運動，需要先進行回零的設置。在進行絕對定位，使用的功能塊是AXIS0_GOTO，在進行位置控制的時候，設置好位置數(shù)據(jù)，觸發(fā)V2100.7則可以進行定位控制。

圖4 AXIS0_GOTO功能塊

• （三）編碼器閉環(huán)反饋系統(tǒng)
  

對于編碼器的閉環(huán)反饋，可以使用S7-200 SMART的高速計數(shù)器向導，來完成相關參數(shù)的設置，在進行相關參數(shù)設置的時候，需要確定好對應的高速計數(shù)器的模式。通常有四種類型的高速計數(shù)器，內(nèi)部方向高速計數(shù)器、外部方向高速計數(shù)器、加減雙相高速計數(shù)器、AB正交高速計數(shù)器，這四種類型根據(jù)是否有復位功能又有所不同。本案使用模式1，帶有內(nèi)部方向控制的單相增/減計數(shù)器。使用復位輸入。

圖5 高速計數(shù)器向導

當進行運動控制的時候，使用高速計數(shù)器的返回值與AXIS0_GOTO的當前位置值進行比較，當兩者相等時候，證明沒有丟步，當反饋值小于AXIS0_GOTO的位置值，則可能發(fā)生丟步的情況，需要進行補償，通常會設置一定的容差范圍，當大于容查的時，則不再進行補償，需要進行報警處理，檢查超出容差的原因。

3.總結

步進的閉環(huán)控制系統(tǒng)，對于某些定位要求比較高的場合具有重要的作用。除了使用編碼器反饋組成閉環(huán)控制之外，還有可以使用模擬量等方式來構建步進閉環(huán)控制系統(tǒng)。具體的實現(xiàn)方式，可以根據(jù)工藝和要求來進行選擇，此處只是提供了一種應用方案，供參考。