基于可編程邏輯控制器的運動控制干擾補償方法

杜鵬飛，應(yīng)成，聶佳

（上海電器科學研究所（集團）有限公司，上海 200063）

可編程邏輯控制器（PLC）的運動控制功能包括高速脈沖輸出和高速計數(shù)器功能。高速脈沖輸出功能是通過發(fā)送一串高頻脈沖驅(qū)動伺服電機或者步進電機，最終達到機械位置定位的目的。高速計數(shù)器是對安裝在電機上的編碼器輸出的高頻脈沖進行計數(shù)，從而得知電機的轉(zhuǎn)動位置[1]。

PLC定位指令完成一次動作，高速脈沖輸出有加速、勻速、減速三個過程，一般通過梯形加減速或者S型加減速來實現(xiàn)[2]。本文通過梯形加減速來闡述，S型加減速原理相同。電機驅(qū)動器收到PLC發(fā)出的脈沖信號后，開始對應(yīng)地進行加速、勻速、減速運轉(zhuǎn)，PLC輸出的一個脈沖對應(yīng)電機一個微小的角度轉(zhuǎn)動[3]。PLC中的脈沖輸出指令是開環(huán)的如圖1所示。一般來說，伺服電機驅(qū)動器最高可接收1MHz左右的脈沖頻率。在伺服電機驅(qū)動器內(nèi)部有一定的濾波措施，可抵抗一定的現(xiàn)場電磁干擾。但是當工業(yè)現(xiàn)場干擾比較強，伺服驅(qū)動器無法濾除這些干擾時，就會出現(xiàn)接收到比PLC實際發(fā)送的更多或者更少的脈沖數(shù)，導致系統(tǒng)定位不準確。

圖1 開環(huán)系統(tǒng)示意圖

1 整體方案

本設(shè)計采用了一種補償?shù)姆椒?，通過高速計數(shù)器實時監(jiān)測電機的轉(zhuǎn)動，計算得出電機實際的轉(zhuǎn)動位置。當電機驅(qū)動器受到外部電磁干擾時，PLC得到某個時間片內(nèi)的高速計數(shù)器值與高速脈沖發(fā)送的脈沖數(shù)不相等，PLC在下個時間片增加或者減少發(fā)出的脈沖數(shù)來進行補償，從而達到精確控制位置的目的。

本設(shè)計闡述了一種梯形加減速的算法，按照時間片分割法對加、減速過程進行單位時間分割，脈沖頻率在每個時間片遞增或遞減。同時也通過時間片對電機實際運行的角度進行采樣，通過補償算法，從而達到精確定位的效果。

本設(shè)計通過高速計數(shù)器的反饋，實時補償由于電磁干擾引起的電機定位偏差。從而解決工業(yè)現(xiàn)場中運動控制在電磁干擾環(huán)境下定位不準的問題。這就使得小型PLC在惡劣干擾環(huán)境中的運動控制定位仍然精確，大大增強了市場競爭力。

2 系統(tǒng)組成

本設(shè)計帶有干擾補償功能的高速脈沖輸出指令，具有編碼器輸入的接口，將脈沖反饋信號傳遞給PLC內(nèi)部的高速計數(shù)器。在系統(tǒng)中如果使用步進電機，需要在電機側(cè)接上一個編碼器如圖2所示。如果是伺服電機，由于伺服電機自身帶編碼器，只需將伺服電機編碼器的線接到PLC的高速計數(shù)器上如圖3所示。

圖2 閉環(huán)系統(tǒng)步進電機應(yīng)用示意圖

3 梯形加減速計算

PLC的運動控制一般采用梯形加減速如圖4所示，運動軸為PLC的其中一路高速脈沖輸出。從基底速度開始，在設(shè)定的加速時間加速到設(shè)定的脈沖輸出最高頻率，發(fā)送固定頻率使電機作勻速運動，最后在設(shè)定的減速時間里減速到基底速度停止。

圖4 梯形加減速示意圖

整個過程的總脈沖數(shù)、最高頻率、基底速度、加減速時間這些參數(shù)由用戶設(shè)定，PLC在工作前需要對這段路程進行規(guī)劃。

梯形加減速設(shè)定參數(shù)：

路程總脈沖數(shù)：N。

加速時間：Tacc，單位 ms（毫秒）。

減速時間：Tdec，單位 ms（毫秒）。

基底速度頻率：Fbias，單位Hz。基底速度是指電機可以以一定的較小頻率直接開始起步運動?；姿俣纫部梢詾?，即從速度頻率0開始加速。

脈沖輸出最高頻率：Fmax，單位Hz。

加減速頻率階躍時間片：Tn，單位ms（毫秒）。在加減速時，每隔Tn時間，產(chǎn)生速度階躍變化。此參數(shù)為PLC內(nèi)部參數(shù)，根據(jù)設(shè)計者的經(jīng)驗使得加減速過程平滑。

電機延時時間：△T，單位ms（毫秒）。步進電機或伺服電機在收到PLC脈沖后至電機開始轉(zhuǎn)動的微小延時。

加速段脈沖總數(shù)計算方法：

加速分段數(shù)：nacc＝Tacc／Tn

加速每段頻率遞增數(shù)：Naccinc＝（Fmax－Fbias）／（Tacc／Tn）

加速第一段頻率脈沖個數(shù)：Nacc1＝ Fbias＊（Tn／1000）

加速第二段頻率脈沖個數(shù)：Nacc2＝（Fbias＋Naccinc＊（2－1））＊（Tn／1000）

加速第三段頻率脈沖個數(shù)：Nacc3＝（Fbias＋Naccinc＊（3－1））＊（Tn／1000）

……

加速第 nacc段頻率脈沖個數(shù)：Naccn＝（Fbias＋Naccinc＊（nacc－1））＊（Tn／1000）

加速段脈沖總數(shù)：Nacc＝Nacc1＋Nacc2＋Nacc3＋…＋Naccn

減速段脈沖總數(shù)計算方法：

減速分段數(shù)：ndec＝Tdec／Tn

減速每段頻率遞增數(shù)：Ndecinc＝（Fmax－Fbias）／（Tdec／Tn）

減速第一段頻率脈沖個數(shù)：Ndec1＝（Fbias＋Ndecinc＊（ndec－1））＊（Tn／1000）

減速第二段頻率脈沖個數(shù)：Ndec2＝（Fbias＋Ndecinc＊（ndec－2））＊（Tn／1000）

減速第三段頻率脈沖個數(shù)：Ndec3＝（Fbias＋Ndecinc＊（ndec－3））＊（Tn／1000）

……

減速第 n 段頻率脈沖個數(shù)：Ndecn＝（Fbias＋Ndecinc＊（ndec－ndec））＊（Tn／1000）

減速段脈沖總數(shù)：Ndec＝Ndec1＋Ndec2＋Ndec3＋…＋Ndecn

勻速段脈沖總數(shù)計算方法：

Nv＝N－Nacc－Ndec

為了按時間片采樣反饋高速計數(shù)器脈沖計數(shù)個數(shù)，需要將勻速段也進行Tn時間片分割，可計算勻速段每個時間片Tn發(fā)出的脈沖個數(shù)為：

Fmax＊（Tn／1000）

4 補償計算

通過上述的計算方法，得到梯形加減速全過程每個時間片Tn輸出的脈沖頻率和脈沖個數(shù)。同時通過PLC的高速計數(shù)器，對每個時間片Tn的電機轉(zhuǎn)動角度進行計數(shù)，把反饋的脈沖數(shù)和PLC發(fā)出的脈沖數(shù)進行對比。當沒有干擾或者干擾較小能被伺服濾波去除時，在同一個時間片Tn里高速計數(shù)器反饋的脈沖數(shù)和PLC發(fā)出的脈沖數(shù)是相等的，這時補償算法不需要進行任何干預。當發(fā)生較大的干擾時，在一個時間片里高速計數(shù)器讀到的脈沖數(shù)相比發(fā)出的脈沖數(shù)增多或者減少。這時PLC的補償啟動，在下一個時間片周期里將減少或增加發(fā)出的脈沖數(shù)，始終保持PLC發(fā)出的脈沖數(shù)和伺服相對應(yīng)的轉(zhuǎn)動角度一致。

具體計算如下：

上述按照Tn劃分的時間片，將加速、勻速、減速過程統(tǒng)一記為T1、T2、……Tm……時刻。每個時間片PLC發(fā)出的脈沖個數(shù)統(tǒng)一記為N1、N2、……Nm……。由于步進電機或伺服電機在收到PLC脈沖后至電機開始轉(zhuǎn)動有一個微小的延時△T。PLC在發(fā)出脈沖后的△T延時后開始采樣高速計數(shù)器值。每個時間片高速計數(shù)器反饋的脈沖數(shù)為N1hsc、N2hsc、……Nmhsc……。

得到某一個時間片的干擾脈沖個數(shù)為Nmif＝Nmhsc-Nm

當 Nmif＞ 0，在 Tm＋1時刻，將減少 PLC 發(fā)出的脈沖數(shù)Nmif。

當 Nmif＜ 0，在 Tm＋1時刻，將增加 PLC 發(fā)出的脈沖數(shù)Nmif。

這樣，通過補償?shù)窒擞捎诟蓴_引起的脈沖數(shù)變化，使得運動定位控制更加精確。

5 結(jié)論

本設(shè)計使得在一部分工業(yè)現(xiàn)場惡劣的環(huán)境中或者偶爾突發(fā)的干擾環(huán)境中，避免了由于電磁干擾導致運動控制定位不準確的情況發(fā)生。通過增加反饋算法，大大提高了運動控制型PLC的可靠性，擴大了PLC的使用范圍。

本設(shè)計PLC運動控制指令可以應(yīng)用于小型機械加工，包裝，激光水刀切割，自動焊接等需要定位運動的場合，具有良好的社會經(jīng)濟效益。