基于PLC實現步進電機S型曲線加速的方法

張李軍

摘 要：步進電機時常用的開環控制電器，控制精度較高，但實際使用中容易出現過沖或者失步現象，所以需做好升速和降速處理，本文主要闡述基于PLC實現步進電機S型曲線加速的方法。

關鍵詞：步進電機；S型曲線加速；PLC；可編程序控制器

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.04.131

1 系統簡介

在當前數字控制系統中，步進電機的應用十分廣泛，步進電機是將電脈沖信號轉變為角位移的開環電機。在正常工作狀態下，電機的轉速和轉動角度（或圈數）只由控制脈沖信號的頻率和脈沖數決定。

步進電機和交流伺服電機同為常用驅動電器，但在對定位精度要求不是非常高的場合，使用步進電機比伺服具有明顯優勢：①步進電機對脈沖信號的跟隨性優于伺服電機；②步進電機和步進電機驅動價格低于伺服電機。

由于步進電機為開環控制電器，當旋轉角度發生錯誤時無法自動修正。當步進電機在啟動時脈沖頻率過高或負載過大，在慣性作用下容易出現失步或堵轉的現象。若啟動時啟動扭力過大，會出現堵轉現象，使實際旋轉角度小于脈沖控制角度。若停止時轉速過高容易出現電機過沖現象，使實際旋轉角度大于脈沖控制角度。為了保證步進電機的控制精度，必須在控制脈沖上做好升速和降速過程的處理。

步進電機常用加速方式由直線型加速和曲線型加速。直線型加速由線性加速、梯形加速等；曲線型加速由指數型加速和S型加速等。直線型加速控制簡單容易實現，但加速過程不夠平滑，實際加速效果不如曲線型加速。曲線型加速過程平滑，但不容易實現。

本文主要論述基于PLC（可編程控制器）的S型曲線加速應用和實現方法。PLC是當前主流的工業自動化控制器之一，也小批量生產的設備控制中應用最多的控制器，PLC編程靈活，方便拓展，成本低，選用具有高速脈沖的PLC型號可直接輸出控制脈沖和方向脈沖來對步進電機進行控制。

PLC選用臺達DVP-EH3系列，它是臺達DVP-E系列的最高級主機，具備優異的運動控制功能，可實現直線插補，圓弧插補功能，性能質量穩定，性價比高。DVP-EH3系列本身帶有高速脈沖發生器，可發出最大100KHZ脈沖，滿足對步進電機的控制要求，并可通過程序進行函數計算，通過函數計算結果實時改變脈沖頻率，達到變速或變加速控制。

2 波形曲線

S型加速曲線選用余弦函數π-2π段波形，圖1所示即為實際速度曲線，其中V0為目標速度（頻率），T為加速時間，曲線波峰為，波谷為0，周期為2T。0-T段波形為余弦函數左移半個周期（即T）上移一個波峰（即V0），角頻率 ，故加速段的函數為：

由于PLC內三角函數是以角度單位進行計算，且計算范圍為，故在PLC中進行運算時應將弧度換算為角度，PLC內計算函數為：

3 S型加速曲線在PLC中的實現

臺達DVP-EH3系列PLC的Y0為脈沖輸出，Y1為方向脈沖輸出，可直接接入步進電機驅動器的控制脈沖輸入接口，PLC輸出電壓為24VDC，24VDC電壓在大多數步進電機驅動器的控制脈沖輸入接口上可以通用，若步進電機驅動器的控制脈沖輸入接口為5VDC或12VDC輸入電壓，可外接獨立電源，防止電壓過高。根據實際需要設置步進電機的細分，則當PLC程序控制Y0、Y1輸出脈沖時，輸出脈沖通過細分驅動器控制步進電機旋轉一個角度，旋轉速度為PLC的脈沖輸出頻率。

子程序P001為函數式計算程序，根據控制需求選用0.01s計時，臺達DVP-EH3系列PLC的T200定時器計時單位為10ms（即0.01s），將T200計時結果存入寄存器D90，D90即為t（當前時間）。T（加速時間）為設定值，可根據需求設置1-30000（單位為10ms）任意整數值，設定值存于寄存器D200，D200寄存器有斷電保持功能，當設備斷電后可自動保存，無需重新設置。因當前加速時間小于所設定的加速時間，所以 的結果為小數，在對寄存器D90和D200 進行除法運算時需用浮點數運算，程序“DEDIV D90 D200 D102”中寄存器D102即為浮點數除法運算的結果，即 的值。寄存器D108為運算后的結果，結果為浮點數。將D108進行DCOS運算后所得結果即為。寄存器D124的值為函數式中v的當前值，脈沖頻率必須為整數型，所以需通過程序“DINT D124 D126”將D124轉為整數型，D126即為所需要的當前頻率，即運行速度。

通過DDRVI指令將所需要的控制脈沖由Y0和Y1端口輸出，其中D204為脈沖數。如果需要進行減速，則需要提取當前已發脈沖數再進行計算，DVP-EH3中已發脈沖數目寄存器為D1030（Y0 脈沖輸出個數Low word）、D1031（Y0 脈沖輸出個數High word）、D1032（Y1 脈沖輸出個數Low word）和D1033（Y1 脈沖輸出個數High word），具體計算方法本文不做闡述。

參考文獻：

[1]朱曉春，屈波，孫來業，汪木蘭.S曲線加減速控制方法研究[J].中國制造業信息化，2006（23）.

[2]黃兆斌，黃云龍，余世明.幾種步進電機加減速方法的對比研究及其應用[J].機電工程，2011（08）.endprint