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 1  引言　

    在數控系統中，如切削機床工作時，往往對刀具的進給速度及移動位置進行控制，不少PLC產品中配置了軸定位模塊，用來專門控制步進電機或伺服電機的運轉，對于某些PLC，當沒有步進電機控制模塊或PLC本身帶有高速計數輸入點時，也可以用高速計數方法來實現軸定位，軸定位系統控制的主要對象是位置，一般情況下，電機的轉動用傳動機械轉化為被控對象的直線運動。

    2　軸定位原理　

    常一個定位命令要求軸上零件移動到另一位置時，模塊先計算一個理論的時間速度圖。然后以這個時間速度圖控制軸，使之最后達到規定的位置。典型的時間速度圖是一個梯形，也就是說，軸先以用戶設定的加速度a勻加速度運動，直至達到用戶設定速度v，然后勻速運動一定的時間，再以用戶設定的加速度a勻減速運動，直到速度變為0。速度到0時，軸移動的距離正好是命令規定的值Δp。

    據時間速度圖，可以計算出相應一個時間位置圖。對于不帶旋轉編碼器的開環步進控制模塊，速度命令脈沖就以時間速度圖的值輸出，當Δp個脈沖全部輸出以后停止輸出。
　　 在以旋轉編碼器作位置反饋的閉環控制方式中，每一時刻，時間位置圖上的位置為基準值，旋轉編碼器反饋回來的是實際值，這兩者之差即為位置誤差。用位置誤差和位置環增益的乘積作為速度命令輸出。這種控制方法能夠保證最終定位的位置誤差接近0。因為這是一種無偏差控制，只要有誤差，就會有消除這個誤差的速度，一直到誤差變為0。
　　 用這種方法控制時，位置誤差越大，電機的轉速就越高。位置誤差不改變時，電機以勻速轉動。位置誤差變小時，電機就減速。要電機停止運動，位置誤差必須為0。
　　 在定位運動過程中，電機的最大速度不會超過理論速度最大值。因為在運動過程開始時，位置誤差從0慢慢變大，速度命令值也慢慢變大，電機轉速提高。在理論加速階段，速度命令值總是比理論速度小。所以，隨著位置誤差不斷積累，速度命令值不斷變大，電機也逐漸加速。在勻速階段，如果速度命令還小于理論速度，那么位置誤差還會增大，速度命令值也會增大。但增大的極限是速度命令值等于理論速度。當兩者相等時，位置誤差不再變大，電機以理論速度運轉。在減速階段，速度命令的減速比理論速度慢，于是位置誤逐漸變小，相應地速度命令值也變小。當理論速度為0時，以前積累的位置誤差還沒有減少至0，所以還有速度命令輸出。這個輸出到位置誤差為0時才會結束。

    兩個速度曲線以下的面積即為運動的位移量，兩者是相等的。
　　 這兩個速度的關系可以用以下公式表示：

　　 vR(t)=〔∫vT(t)dt-∫vR(t)dt〕f或
式中：vR(t)—實際速度；
　　 vT(t)—理論速度；
　　 f—位置環增益，是時間的倒數值。
　　 上述關系式的通解是：
　　 vR(t)=v0e-ft
式中，v0為某一常數。當速度vT(t)為常數時，特解為：
　　 vR(t)=v0e-ft+vT(t)
式中如果vT(t)為常數，當t足夠大時，vR(t)=vT(t)，即實際速度等于理論速度。只要e-ft足夠小，實際速度對理論速度的跟隨誤差等于0。

    3　高速計數

    PLC的高速計數模塊可讀取普通的輸入點讀取不到的高速脈沖，并對之進行計數，使用脈沖輸出功能和脈沖序列指令型伺服電機馬達配合，可構成軸定位裝置。
　　 SZ-4型PLC的高速計數模塊使用Z-CTIF，在加減計數器中，可進行多達24個設定值區域的多段設定，進行計數時，計數值和設定值比較，在允許中斷的狀態下，當設定值和計數值一致時，則中斷當前處理轉去執行中斷程序，中斷程序執行完，則返回被中斷處繼續往下執行。
　　 在驅動絲杠轉動進行軸定位時，可有二種方法進行控制：一是進行均勻加速，到勻速運動，再到減速的過程，如圖3(b)所示，開始時以200pps的速度動作，在1秒鐘時間內加速至2kpps，以2kpps的恒定速度動作，在即將到達定位位置時進行減速，減速時間也為1秒，在1秒內速度減為0，定位動作結束，到達指定位置。另一種方法是進行多段加減速逼近的方式，如圖3(a)所示，定位開始時以200pps速度加速移動100個脈沖距離，再以400pps的速度加速移動200個脈沖距離，又以600pps的速度加速移動300個脈沖距離，穩定動作階段以800pps的速度移動1800個脈沖距離，然后減速運行，先以600pps的速度減速移動300個脈沖距離。再以400pps的速度減速移動200個脈沖距離，又以200pps的速度減速移動100個脈沖距離，最后速變為0，結束定位動作，共移動了3000個脈沖的距離。

    4　應用實例

    軸定位系統選用SZ-4模塊式PLC，該型號的PLC是屬于超小型的可編程序控制器，使用比較方便，系統選用高速計數模塊Z-CTIF一塊，8點輸入模塊Z-8ND1一塊，8點輸出模塊Z-8TD1一塊。輸出端與變頻馬達相聯，由馬達驅動絲杠的轉動，絲杠的轉動次數由旋轉編碼器檢測，旋轉編碼器的結果送PLC的高速計數模塊，在具體梯形圖編制時，以多段加減速方式處理比較方便，把多段設定值放在寄存器中，當絲杠轉動達到設定脈沖數時，馬達變速運轉，起動時先加速，然后平穩轉動，最后減速至定位位置。變速部分的指令放在中斷程序中，每當計數值與設定值一致時，特殊功能寄存器變為ON，執行中斷指令。
　　 系統多段設定值寄存器開始處為R3630，把四檔速度值輸入到R3630-R3633內。
　　 輸入輸出模塊的分配：
　　 I10：起動開關
　　 I11：停止開關
　　 Q10：變頻速度1
　　 Q11：變頻速度2
　　 Q12：變頻速度3
　　 Q13：變頻速度4
　　 Q14：變頻起動(ON)/制動(OFF)
　　
　
    5　結論 　

    用高速計數模塊實現的軸定位功能可普遍用于自動化設備中，如數控車床或其他需要確定位置的場合，對于行程的控制比較精確。當然對于定位復雜的情況，梯形圖編制稍微有點復雜，這時最好使用專用的步進電機控制模塊或伺服電機控制模塊。但是對于如SH系列的PLC來說，它們本身帶有二點高速計數功能，而且由于是整體式PLC，較難擴展步進電機控制模塊，利用上述方法就有很大的應用價值和較高的性能價格比。