基于PLC的步进电机误差修正方案设计
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作者: 王妮
摘要：目前，基于PLC的步进电机由于其控制电路相对比较简单、便于进行各类组合，可使系统得到进一步的简化、提高工作的可靠性、稳定性及控制精度等方面的优势，在业界得到广泛的应用。然而，对步进电机误差修正方面的资料论述则相对较少，本文将针对这一方面的问题，结合步进电机的PLC控制系统的控制配置其原理，对其应用程序的误差修正进行了浅显的分析。
关键词：步进电机 误差修正 方案设计 PID控制
中图分类号：TP273 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2012）09-0168-01
1、引言
步进电机是将电脉冲信号转换为直线抑或角位移的执行元件，其最大的优势则在于：无累积误差、控制电路简单、控制精度极高等，在广阔的运动控制领域中发挥着极为显著的积极作用。同时，随着PLC的深入研发，PLC优良的适应性也倍受使用者关注。其编程简单、直观，配置及扩展方面又灵活多变，这样使得整个系统变得更加稳定、可靠。本文使用PLC控制步进电机，结合PID控制思想，实现步进电机的运动误差修正，使控制更加简单、快捷。
2、步进电机控制系统误差分析
在工业控制领域，步进电机应用较为广泛，从机械学和运动学的角度出发，步进电机的准确率较高，但是在实际的应用过程中，误差却十分之大，而误差存在的原因主要有如下三点：第一，步进电机容易丢步。步进电机在使用过程中，由电机控制器控制，而电机控制器的出发要有上位机或者嵌入式机（ARM、FPGA等）控制，在控制时，由于处理速度原因，会产生时间差，从而形成丢步。第二，运动延迟误差。步进电机的反应速度较慢，在使用过程中会由于响应时间T（o）和运动反应时间T（i）之间存在的误差导致运动延迟，导致步进电机误差的形成。第三，开环控制精度的制约。在工业控制领域，由于工艺、制造行业规范等因素制约，步进电机的控制都使用开环控制，而开环控制缺乏必要的反馈控制，控制精度很低。
3、PLC误差修正方案设计分析
PLC对步进电机进行不同的控制设计时，是要根据客观实际需求来选择不同的控制方案。目前多采用的方案主要有以下几方面：（1）由PLC的高速脉冲输出信号，利用步进电机驱动设置达到对步进电机的最终控制。但是，往往由于小型的PLC极少配备高速脉冲输出端，欲完成此控制方案则必须购置用于控制步进电机的脉冲信号驱动器。（2）通过编程方法产生环型脉冲信号来控制步进电机，并充分结合PLC的定时器完成速度脉冲信号的有效产生。这样一来，则可以节省购置驱动器费用，从而系统硬件成本降低。由于PLC周期性扫描范围只存在于几毫秒到几十毫秒之间，其频率也相对较低，这就极大地限制了步进电机在高频下运行工作的效率，无法完成高速调控的实际需要。与此同时，由于受扫描周期与速度上的限制，使其控制精度大幅度降低。为解决此问题，可通过相应的软件控制来完成环形脉冲信号的产生；再通过PLC定时中断方法来完成速度脉冲信号的产生，其在最短时间0.1ms，则可以达到10kHz的有效频率。这样一来，就基本可以满足于大部分的应用需求。
4、具体方案设计思路及控制测算
4.1 PID闭环误差修正方案设计
在实际的控制系统工作中，要根据实际工作需要，来进行电机工作方式、切换控制、恒速控制、加减速等进行最终控制确定。本文使用的控制思路是PID控制思想和闭环控制思想来实现对步进电机精度的提高的误差的修正。
PID控制思想主要是对步进电机的位置信息、速度信息以及加速度信息进行实时的采集，从而实现对步进电机位置的过去（past）、现在（now）、未来位置（future）进行控制。闭环控制，主要是对不仅电机的目的控制位置和当前控制位置进行比对，进行位置的实时修正。
4.2 控制测算
在工程领域按照实际负载的大小指标确定步进电机的选择保证电机了的启动、停止以及其输出转矩都应与所负载的转动惯量保持一致。我们要计算出PLC对步进电机的实际控制，所需参数：
脉冲频率上限=（电机细分数×移动速度）/脉冲当量
最大脉冲数量=（电机细分数×移动距离）/脉冲当量
脉冲当量=（移动距离×电机步距角）/ （360 ×传动速比）
结合这三个算出来的参数值，再获取最终所对应的控制数据。由于步进电机多是以开环来控制，如果我们采用旋转编码器做速度与位置，再通过PLC高速脉冲计数功能，则全面实现其闭环控制。
5、步进电机误差修正软件实现
程序设计包括：主程序、FM353的零位子程序以及FM353定位程序等。由于FM353模块在初始时，无法确定外部机械装置的具体位置；只有在系统工作时，找到轴的参考点——初始位置；FM353此时的工作则是处于参考点之下。
5.1 位移纠偏模块
由于本文系统采用开环步进电机控制，则在弥补开环控制中存有的缺陷，以达到避免发生脉冲缺失现象，则在其完成一个循环之后，退回原点后，使步进电机再一次进行原点的重新确认工作。这样则可以有效避免其位移的发生。
5.2 中断模块
由于FM353可以提供有效、准确的中断输入功能，加之控制系统已经预设暂停、急停、步进电机前后限位等相关的信号作为外部的中断输入。因此，当PLC检测到此类信号后，会依据所预设的故障等级来选择相关的正常停机或是安全停机或是紧急停机，以保障操作人员与设备的安全。同时技术人员应及时给予维修。对于严重故障的发生，我们必须采取手动或是点动控制来进行故障处理。
由此可有效地完成环形脉冲信号的产生；PLC定时中断，又可以有效产生速度脉冲信号，其在最短时间0.1ms，则可以达到10kHz的有效频率。从而满足于了大部分的应用需求。因此，我们合理、有效的利用编程方法产生环型脉冲信号来控制步进电机，并充分结合PLC的定时器完成速度脉冲信号的有效产生。从而可以极为有效地将步进电机误差加以修正，还极大地节省了购置驱动器费用，降低了硬件成本。
6、结语
基于PLC的步进电机误差修正方案由于其控制电路相对比较简单、便于进行各类组合，可使系统的得到进一步的简化、提高工作的可靠性与整定性以及较高的控制精度等的优势，同时还具有惯性小、控制精度高等特点，极具有推广、应用价值。
参考文献
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