PLC的PID運(yùn)算及運(yùn)動(dòng)控制探討

　　對(duì)于運(yùn)動(dòng)控制，大家比較常用的包括步進(jìn)電機(jī)、伺服電機(jī)，除此之外伺服閥、數(shù)字液壓等都屬于同一類的控制方式。在這些運(yùn)控系統(tǒng)中，我們又根據(jù)控制對(duì)象的不同分為位置控制、速度控制、力矩控制三大類。其中步進(jìn)電機(jī)只能應(yīng)用于位置控制，而伺服則可以應(yīng)用于這三類中的任一種控制方式。

　　在運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)中我們一般可以使用專用的運(yùn)動(dòng)控制器或者PLC來(lái)實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)控制功能，一般來(lái)說(shuō)專用的運(yùn)動(dòng)控制器如數(shù)控系統(tǒng)等會(huì)更為專業(yè)功能更強(qiáng)，對(duì)于插補(bǔ)、G指令的支持會(huì)更好。

　　比方說(shuō)高檔的數(shù)控系統(tǒng)可能會(huì)支持以下的功能：用戶用CAD畫(huà)完圖后轉(zhuǎn)換成G代碼下載給控制器，控制器就可以執(zhí)行對(duì)應(yīng)的G代碼完成整個(gè)控制過(guò)程。

　　而PLC相對(duì)而言是一個(gè)更為通用的控制平臺(tái)，一般通過(guò)功能塊來(lái)實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)控制功能，V80增強(qiáng)系列(/S)對(duì)于兩軸的位置控制有很強(qiáng)的支撐，可以滿足絕大多數(shù)運(yùn)動(dòng)控制要求的環(huán)境，V80的速度控制和力矩控制一般使用E6MAD擴(kuò)展模塊來(lái)實(shí)現(xiàn)，在這里我們提到的運(yùn)動(dòng)控制是CPU模塊本身的位置控制功能。

　　21.1、位置控制基礎(chǔ)

　　在裝備控制中有相當(dāng)多的場(chǎng)合需要用到位置定位控制，如各種機(jī)床、收卷排線、紙張電纜管材的定長(zhǎng)裁剪、包裝、印刷等。位置控制的實(shí)現(xiàn)，通常是通過(guò)步進(jìn)電機(jī)和伺服電機(jī)來(lái)達(dá)到的，下面我們統(tǒng)一以步進(jìn)電機(jī)來(lái)描述。

　　步進(jìn)電機(jī)是將電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)榻俏灰苹蚓€位移的開(kāi)環(huán)控制元件。在非超載的情況下，電機(jī)的轉(zhuǎn)速、停止的位置只取決于脈沖信號(hào)的頻率和脈沖數(shù)，而不受負(fù)載變化的影響，即給電機(jī)加一個(gè)脈沖信號(hào)，電機(jī)則轉(zhuǎn)過(guò)一個(gè)步距角。這一線性關(guān)系的存在，加上步進(jìn)電機(jī)只有周期性的誤差而無(wú)累積誤差等特點(diǎn)。使得在速度、位置等控制領(lǐng)域用步進(jìn)電機(jī)來(lái)控制變的非常的簡(jiǎn)單。

　　PLC正是利用步進(jìn)電機(jī)的這種特性來(lái)實(shí)現(xiàn)位置控制功能的，PLC與步進(jìn)電機(jī)之間的接口為脈沖接口，我們稱之為PTO。

　　脈沖與位置的關(guān)系：

　　比方說(shuō)我們需要步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)90度，而步進(jìn)電機(jī)的步距角為0.3度的，那么我們的脈沖輸出個(gè)數(shù)就應(yīng)該為300個(gè)，當(dāng)300個(gè)脈沖輸出完畢后電機(jī)正好旋轉(zhuǎn)90度停止。

步進(jìn)電機(jī)的啟動(dòng)和加減速：

　　實(shí)際的應(yīng)用中我們需要考慮到步進(jìn)電機(jī)在帶載的情況下無(wú)法高速啟動(dòng)，所以需要步進(jìn)電機(jī)在啟動(dòng)時(shí)使用較低的脈沖頻率，然后逐步提升速度，否則會(huì)有失步和過(guò)沖的現(xiàn)象出現(xiàn)。同時(shí)一般的步進(jìn)電機(jī)使用場(chǎng)合都是開(kāi)環(huán)的，一旦出現(xiàn)了失步和過(guò)沖則是不可恢復(fù)的誤差。(伺服電機(jī)這種情況要好一些但在負(fù)載太大的情況下仍然會(huì)有啟動(dòng)不了的現(xiàn)象)

　　為了防止出現(xiàn)失步和過(guò)沖的情況，我們通常會(huì)讓步進(jìn)電機(jī)在低速啟動(dòng)后再逐步提升速度，在加速過(guò)程中，最好的是S型加速，S型加速的加速度是線性的，這對(duì)于機(jī)械和電機(jī)來(lái)說(shuō)是最吻合其特性的。在實(shí)際的應(yīng)用中，大多數(shù)是采用的線性加減速，這對(duì)于大多數(shù)的應(yīng)用來(lái)說(shuō)也是足夠了的。

　　步進(jìn)電機(jī)的正反轉(zhuǎn)：

　　運(yùn)控系統(tǒng)中的正反轉(zhuǎn)是很常用的方式，由于步進(jìn)電機(jī)沒(méi)有帶反饋裝置，所以步進(jìn)電機(jī)不適合高速的正反轉(zhuǎn)，一般而言，在空載的情況下行程在100個(gè)脈沖往反轉(zhuǎn)，步進(jìn)電機(jī)的正反轉(zhuǎn)頻率只能達(dá)到10次/秒以下(大多數(shù)的在5次/秒以下)，伺服電機(jī)的正反轉(zhuǎn)頻率可以達(dá)到50次/秒以下(剛性要調(diào)得比較高)。不同廠商的電機(jī)不同，主要與慣量的大小有關(guān)系。

　　正反轉(zhuǎn)時(shí)，需要很好的加減速控制的支持，否則會(huì)出現(xiàn)失步和過(guò)沖的情況，伺服系統(tǒng)還會(huì)出現(xiàn)還沒(méi)到位就開(kāi)始反轉(zhuǎn)的情況。

　　在實(shí)際的應(yīng)用之中我們還常用接近開(kāi)關(guān)、光電開(kāi)關(guān)、編碼器、光柵尺來(lái)與步進(jìn)電機(jī)配合完成位置控制。這些方法中可以分為兩大類一類是開(kāi)關(guān)型定位，一類是坐標(biāo)定位。

　　開(kāi)關(guān)型定位：

　　包括接近開(kāi)關(guān)、光電開(kāi)關(guān)、接觸開(kāi)關(guān)等，這些開(kāi)關(guān)最常用的是安置在原點(diǎn)，用來(lái)標(biāo)零和消除累積誤差。這些系統(tǒng)在上電后一般都有找原點(diǎn)的動(dòng)作過(guò)程，通常都是上電后向一個(gè)方向運(yùn)動(dòng)找到原點(diǎn)后標(biāo)定原點(diǎn)坐標(biāo)，然后開(kāi)始正常工作。

　　坐標(biāo)定位：

　　這一類的控制采用編碼器、光柵尺、電子尺(模擬電壓接口)之類的，其中又分為絕對(duì)編