在自动化生产、加工和控▓制过程中，经常要】对加工工件的尺寸或机械设备移动的距离进行准确定位控制。这种█定位控制仅仅要求控制对象按指令进入指定的位置，对运动的速度无特殊要求，例如生产过程中的点位控制(比较典型的如卧式镗床、坐标镗床、数控机床等在切削加工前刀具的定位)，仓储系统中对传送带的定位控制，机械手的轴定位控制等等。在定位控制系统中常使用交流异步电机或步进电◢机等伺服电机作为驱动或控制元件。实现定位控制的关键则是对伺服电机的控制。由于可编程控↓制器(PLC)是专为在工业环境下应用而设计的一种工业控制计算机，具有抗干扰能力强、可靠性极高、体积小等显著优点，是实现机电一体化的理想控制装置。本文旨在阐述利用PLC控制伺服电机实现准确定■位的方法，介绍控制系统在设计与实施中需要认识与解决的若干问题，给出了控制系统参考方案及软硬件结构的设计思路，对于工业生↘产中定位控制的实现具有较高的实ㄨ用与参考价值。

　　1 利用PLC的高速计数器指令和旋转编码器控制三相交●流异步电机实现的准确定位

　　1.1 系统工作原理

　　PLC的高速计数器指令和编码器的配合使用，在现代工业生产自动控▅制中可实现精确定位和测量长度。目前，大多数PLC都具有高速计数器功能，例如西门子⊙S7-200系列CPU226型PLC有6个高速计Ψ数器。高速计数器可以对脉宽小于PLC主机扫描周期的高速脉冲准确计数，不需要增加特殊功能单元就可以处理频率高达几十或上百kHz的脉冲信号。旋转编码器则可以将电动机轴上的角位移转换成脉冲值。

　　利用PLC的高速计数器指令和编码器控制三相交流异步电机实现的∩准确定位控制系统，其原理是通过与电动机同轴相连〖的光电旋转编码器将电机角位移转换成脉冲值，经由PLC的高速计数→器来统计编码器发出的脉冲个数，从而实现定位控制≡。

　　1.2 设计与实施

　　以对传输带的定位控制设计为例加以说明。现需要用传输带运送货物，从货物运送起点到指定位置(终点)的距离为10 cm。现要求当传输带上的货物运行10 cm后，传输带电机停止运∏行。该系统硬件设置主要包括西门子S7-200CPU226型PLC、传输带电机(三相交流异步电机)、OMRON的E6A2-CW5W光电旋转编码器、松下VFO系列BFV00042GK变频器等。该系统的工作原理是将光电编码器的机械轴和传动辊(由三相交流异步电机拖动)同轴相连，通过传动辊带动光电编码器机械轴转动，输出脉冲信号，利用PLC的高速计数器指令对编码器产生的脉冲(采用A相脉冲)个数进行计数，当高速计数器的当前值等于卐预置值时产生中断︻，经变频器控制电动机停止运▅行，从而实现传输带运行距离的准确定位控制。很显然，该控制系统中实现准确定位控制的关键是对PLC的高速计⌒数器的预置值进行设置，高速计数器的预置值即为传输带运行10 cm时光电编码器产生的脉冲数。该脉冲数值与传输带运行距离、光电编码器的每转脉冲数以及传动辊◤直径等参数有关。该脉冲数可以通过实验测量也可通过计算得出。计算得出传输带运行10 cm对应的脉冲数为：

　　脉冲数=[(传动辊直径(mm)×π÷(脉冲数/转)]×传送带运行距离(mm)

　　该系统通过计算得出脉冲数为100，则高速计数器的预置值即为100。参考◥程序如图1所示。

在子程序中，将高速计数器HSC0设置为模式1，即单路脉冲输入内部方向控制的增/减计数器。无启动▲输入，使用复位输入。系统开始运行时，调用子程卐序HSC_INIT，其目的是≡初始化HSC0，将其控制字节SMB37数据设置为16#F8，对高速计数器写入当前值和预置值，同时通过中断连接指令ATCH将中断事件12(即高速计数器的当前值等于预置值中断)和中断服务程序COUNT_EQ连接起来，并执行ENI指令，全局开中断。当高速计数器的当前值等于预置值时，执行◤中断服务程序，将SMD42的值清零，再次执行HSC指令重新对高速计数器写入当前值和预置值，同时使M0.0置位，电动机停止运行。

2.1 系统工作原理

　　步进电机因其具有结构简单、控制方便、转动惯量低、定位精度高、无累积误差和成本低廉等优点而成为工业控制的主要执行元件，尤其是在精确定位场合中得╱到广泛应用。在工业▽生产中，步进电机和生产机械的连接有很多种，常见的一种是步进电机和丝杠连接，将步进电机的旋转运动转变成工作台面的直线运动。当需要对工作台面移动距离进行定位控制时，只需要控制步进电机的转速和角位移大小即可。在非超载的情况下，步进电机的转速〓和角位移只取决于脉冲信号的频率和脉冲数。它输出的角位移与输入的脉冲数成正比，转速与脉冲频率成＠ 正比。改变绕组通电的◥相序，则可以实现步进电机反转。

　　目前世界上主要的PLC厂家生产的PLC均有专门的高速脉冲输出指令，可以很方便地和步进电机构成运动定位控制系统。由PLC高速脉冲指令控制步进电机实现准确定位的实质是PLC通〓过高速脉冲输出指令PTO/PWM输出高速←脉冲信号，经步进电机脉冲细分驱动器控制步进电机︽的运行，从↑而推动工作台移动到达指定的位置，实现准确定位。工作台移动的距离与PLC脉冲数之间的关系为：

　　式中：N为PLC发出的控制脉冲的个数;n为步进电机驱动器的脉冲细分数(如果步进电机驱动器有脉冲细分驱动);θ为步进电机的布距角，即步进电机每收到一个脉冲变化，轴∮所转过的角度;d为丝杠的螺纹距，它决定了丝杠每转过一圈，工作台面前进的距离;δ为脉◥冲当量(定位精度);i为传动速比;L为工作台移动的距离。

　　显然，利用PLC控制步进电机实现准确定位的关键是对PLC产生的脉冲数的设定。而脉冲数与脉冲当量、传动速比、步进电机驱动器的细分数以及脉冲频率等都◥有关。

　　2.2 设计与实施

　　以货物仓储系↓统中的对直线导轨的定位控制设计为例加以说明。在仓储系统中，要求由步进电机拖动直线导轨将料块送到指定的仓库门口。假设从起点到终点的运送距离为100 mm，即要求由步进电机带动导轨作直线运动，定位距离为100 mm。为实现准确定位，系统采》用西门子S7-200系列CPU226型PLC、四通57BYG250C混合式步』进电机和森创SH-20403步进电机驱动器等设备。其中CPU226型PLC的CPU有两个脉冲发生器，分别是Q0.0端子和Q0.1端子。这两个端子均可输出PTO/PWM高速脉冲信，脉冲频率可达20 kHz。根据控制要求，系统拟采用高速脉冲串输出PTO功能，PTO功能可输出一定脉冲个数和占空比为50%的方波信号。输出脉▓冲的周期以μs或ms为增量单位】。PTO功能允许多个脉冲串排队输出，从而形成流水线。流水线分◢为两种：单段流水线和多段流水线。

　　为了消除电机的低频振荡，提高分辨率，采用了步进电机细分驱动器，驱动步距角为0.9°/1.8°，脉冲细分数设定为4。为保证速度和定位精度要求，步进电机运行一般要经历三个♂过程，即启ㄨ动加速、恒速运行和接近定位点时的减速运行。为了维护步进电机以及驱动设●备，要求驱动脉冲频率也线性增〓大，所以，本定位控制系统采〗用多管线操作，控制电机的运行过程。设直线导轨起始位置在A点，现欲从A点移至D点，其中AD=100 mm。定位精度只与步进电机脉冲当量有关，取脉冲当量为0.11 mm/脉冲，则需要900个脉冲完成定位。步进电机运◥行过程中，要从A点加速到B点后恒速运行，又从C点开始减速到D点完成定位过程♀用200个脉冲完成★升频加速，500个脉冲恒速运行，200个脉冲完成降频减速。如图2所示。

　　因此确定PTO为3段脉冲管线◎(AB，BC，CD)。设最大脉冲频率为1 kHz，将16#A0写入控制字节SMB67，允许多段PTO脉冲输出，时基为μs级，建立3段脉冲的包络表并对各段参数分别设置，给定↘段的周期增量按下式计算：

　　给定段的周期增量=(该段结束时的周期值-该段↓初始的周期值)/该段∏脉冲数↙

　　包络表结构如表1所示。

　　参考程序如图3所示。

　　这种控制方式属于对步进电机的一种开环控制，其优点是结构简单、成本低、定位准确、易于实现等。

(1)PLC类型的选择。首先，PLC必须是可以输出高速脉冲的◥晶体管输出形式。其次，PLC输出最高脉冲频率大小必须满足控制要求。

　　(2)步进电机脉冲细分驱动器的选择及参数设置。

　　(3)步进◣电动机的选择。首先考虑的是步进电动机的〇类型选择，其次才是品种选择，根据系统要求，确定█步进电动机的电压值、电流值以及有无定位转矩和使用螺栓机构的定位装置，从而就可以确定步进电动机的相数和拍数。在进行步进电动机的品种选择时，要综▲合考虑速比i、轴向力F、负载转矩Ti、额定转矩TN和运行频率fy，以确定步进电机的具体规◇格和控制装置。

　　(4)脉冲当量的计算。

　　3 利用PLC的其他方式实现的准确定位

　　3.1 利用PLC的PID指令及软、硬件↑配合实现准确定位

　　例如在气缸精确定位控制系统中，由PLC、电磁阀、光栅尺、气缸组成一个闭环控制系统。其中PLC作为控制运算中心，光栅尺作为检测装置检测气缸活塞移动量，并将ξ　检测结果通过PLC的模拟量输入端子反馈到PLC内部，与设定值比较，并进行PID调节，PID运算结果通过PLC的继电器输出√接口驱动交流或直流电磁阀，由电磁阀的开关改变气缸活∑塞移动的流量，使气缸准确运动到目标位置，达到准确定位的▓目的。

　　3.2 利用PLC的EM253模块实现的准确定位

　　EM253位控模块是S7-200的特殊功能模块，它能够产生脉冲串，用于步进电机和伺服电机的速度和位置开∮环控制。它与S7-200系列PLC通过扩展的I/O总线通讯。它ぷ带有八个数字输出◣，在I/O的组态中作为智能模块，可提供╳单轴、开环☆移动控制所需要的功能和性能。提供高速控制，12～200 000脉冲/s。STEP7-Micro/WIN为位置控制模块的组态和〗编程提供了位置控制向导，可以生成组态/包络表和位置控制指令，配置EM253的运动参数、运动轨迹包络等。

　　4 结语

　　实践证明，本文提出的由PLC、旋转编码器、伺服∏电机等组成的准确定位控制系统具有结构简单、性价比高、易于实现等优点，可广泛地应用于工业生产及军事领域。如板材的精确定长切割、军用雷达定位系统，丝网印刷机停机控制、以及在数控机床、物料计量、送膜包装等用异步电机▂或步进电机实现的定位控▂制领域有一定的实用和参考价值☆。