三菱PLC定位控制理论1

目录：

一、定位控制基础知识

1、什么是定位控制

2、直流伺服与交流伺服电机

3、定位控制系统组成

1）控制器   2）驱动器

4、三种定位控制模式

1）开环控制   2）半闭环控制   3）闭环控制

5、三菱PLC定位控制功能介绍

6、定位控制脉冲输出方式

二、编码器基础知识

1、什么是编码器

2、编码器的分类

1）增量式编码器   2）绝对式编码器   3）伪绝对式编码器

3、增量式编码器的应用★

1）作转测量用-高速   2）作转速测量用-低速   3）作伺服系统反馈元件用

4、增量式编码器的使用

1）主要电性能参数   2）编码器接线、检测、安装、维护

三、脉冲当量与电子齿轮比

1、定位控制中的计算

2、脉冲当量与电子齿轮

1）脉冲当量及其计算

（1）什么是脉冲当量   （2）伺服系统脉冲当量计算   （3）固有脉冲当量的调整   （4）基本关系式介绍   （5）相关参数核算

2）电子齿轮及其作用

3、电子齿轮比的快速设置和应用注意

1）电子齿轮比的快速设置   2）电子齿轮比应用注意

4、定位控制中的计算示例

四、定位控制模式分析

1、相对定位和绝对定位

1）相对定位方式   2）绝对定位方式   3）定位方式的执行

2、原点和零点

1）机械原点与电气原点   2）电气零点与机械零点

3、定位控制模式相关参数

1）速度参数   2）位置参数

4、原点回归模式分析

1）为什么要进行原点回归操作   2）原点回归操作方式   3）原点回归的搜索功能

5、单速运行模式分析

1）单速定长运行模式分析   2）单速手动(JOG)运行模式分析   3）中断单速定长运行模式分析

6、多速运行模式分析

7、表格定位运行模式分析

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一、定位控制基础知识
1、什么是定位控制
定位控制是指当控制器发出控制指令后，使运动件(例如机床工作台)按指定速度完成指定方向上的指定位移。



编辑





上述三种定位控制方式又称之为速度控制方式。它们的共同点是当发出位置到达信号后，从电机断电到到电机停止运转这段时间均为自由滑行时间，自由滑行时间与负荷大小、滑行阻力等系统惯性有很大关系，难于精度控制。因此，速度控制方式的定位精度就难于进一步提高。

伺服控制

指执行机构严格按照控制命令的要求而动作。即控制命令未发出时，执行机构是静止的，而控制命令发出后，执行机构按照命令对电机连续地进行速度控制执行，当控制命令消失后，执行机构立即停止。



伺服控制特点

1）由控制器直接发出定位控制指令；

2）位置控制是一个闭环控制系统（实际上是开环或半闭环控制）；

3）用伺服电（或步进电机）作为执行元件。
2、直流伺服与交流伺服电机
伺服控制分为直流与交流伺服两类。直流伺服是用直流电压来控制直流伺服电机。交流伺服是用交流电压或脉冲串控制交流伺服电机。
3、定位控制系统组成



1）控制器
发出位置控制命令的装置。其主要作用是通过编制程序下达控制指令，使步进或伺服电机按控制要求完成位移与定位。
2）驱动器
作用是把控制器送来的信号进行功率放大，用以驱动电机运转，根据控制命令与反馈信号对电机进行连续速度控制。
4、三种定位控制模式
通过输出高速脉冲进行位置控制。这是目前比较常用的方式。PLC的脉冲输出指令和定位指令都是针对这种方法极设置和应用的。输出高速脉冲进行位置控制又有三种控制模式。
1）开环控制



2）半闭环控制



3）闭环控制



5、三菱PLC定位控制功能介绍
可以通过本体上的高速脉冲输出端口向外部设备输出定位控制脉冲信号，并都内置有定位控制功能指令，可直接对定位对象进行定位控制。只有晶体管输出型PLC才能实现。

在FX系列PLC中，FX1S/FX1N属于经济型，特别是在定位控制的一些简单应用中，单独使用PLC就可以完成一些如单速定长进给控制的工作时，这两种的性价比最好。独立两轴控制，最大100KHz。

FX2N的定位控制功能：此自身定位功能最差，主要是下面2个原因造成的，1是FX2N只有脉冲输出指令而没有定位控制指令；2是其输出脉冲频率最高才20KHz。

FX3U定位控制功能：FX系列PLC中运算速度最快，功能最强PLC。本体独立3轴，加一个模块可扩展到4轴，本体最大频率100KHz。



FX PLC除了内置定位功能外，还可以通过扩展定位模块与定位单元来实现定位控制功能。常用的定位模块有FX2N-1PG、FX2N-10PG与FX3U-22SSC-H，常用的定位单元有FX2N-10GM与FX2N-20GM。

定位模块1PG和10GM必须作为特殊模块与PLC连接才能完成定位控制功能。不能独立运行。用PLC的读/写指令FROM/TO对它们进行操作。仅支持FX2N和FX3U PLC，1台PLC主机最多可控制8台定位模块。

定位单元是带有电源、CPU、存储器、I/O端口等基本硬件与软件的独立定位控制单元。可以与PLC连接使用，也可以单独使用。

定位脉冲类型和FX PLC定位控制结构

定位脉冲根据电路结构的不同分为集电极开路(NPN型、PNP型)输出和差分线性驱动输出两种类型。







差动线驱动其抗干扰能力好，可长距离传输，从A/A输出给驱动器。
6、定位控制脉冲输出方式



定位脉冲输出方式：用高速脉冲去控制运动物体的速度、方向与位移时，常用的脉冲控制方式4种。







定位脉冲的匹配

1）定位脉冲的类型必须能形成回路电流；

2）定位脉冲的方式必须一致。

FX PLC定位控制构成





二、编码器基础知识
1、什么是编码器
光电编码器是一种集光、机、电为一体的数字式角度/速度传感器。它采用光电技术将轴、角移动信息转换成数字脉冲信号，与计算机连接后可实现动态测量和实时控制。光电编码器具有精度高、测量范围广、体积小、重量轻等优点，被广泛应用于交流控制系统中作位置和速度检测用。
2、编码器的分类
增量式和绝对式编码器；按其运动部件的运动方式，分为旋转式与直线式两种。旋转式编码器从结构上来看，主要有实心轴式与空心轴式两大类。旋转式编码器从脉冲与对应位置(角度)的关系来分有增量式与绝对式两大类。
1）增量式编码器



增量式编码器工作原理

当码盘转动时，感光元件所接受到的感光信号经电路放大和整形后，变成了一个脉冲串输出信号。脉冲信号输出形式与码盘结构有关，常用的有单脉冲输出、A-B相脉冲输出和差分线性驱动脉冲输出等。

增量式编码器优点

结构简单、响应快、抗干扰能力强、寿命长、可靠性高，适合长距离传输。故被大量应用在速度检测与定位控制中。

增量式编码器缺点

（1）只能控制相对当前位置的位移量，不能消除相对 位置本身存在的误差，而且此误差还会不断地累计下去，最后使整个定位不能正常工作；

（2）由于它不能检测出轴的转动的绝对位置，故若发生停电，哪怕是瞬间断电，都会造成其当前位置信息的丢失。
2）绝对式编码器



绝对式编码器工作原理

当码盘处于不同位置，由径向排列的感光元件根据每个码道上透光缝隙的不同会产生相应的电平信号，组合成一组二进制编码。在转轴的任意位置都可以读出一个固定的与位置相对应的二进制编码。

绝对式编码器编码方式，常用的码制有纯二进制码、格雷码和BCD码等。

格雷码特点：任何相邻码组之间只有一位数位变化，减少了码组转换时错码的可能。是一种错误少的可靠性编码方式。格雷是无权码，不能直接时行比较大小和算术运算，必须经过码制转换，变成纯二进制码，再同上位机读取和运算。

绝对式编码器优点

有固定零点，表示位置人信息代码是唯一的，抗干扰能力强。停电后，位置信息不会丢失，无累计误差等多重优点，在高精度的定位控制中得到了广泛应用。
3）伪绝对式编码器
利用增量式编码器来保存位置数据（圈数与增量脉冲数）的方式。

必须在电路上增加后备电池和储存器，在重新上电后，必须按规定的方式立即把位置数据信息通过指令传送给PLC。
3、增量式编码器的应用★1）作转速测量用-高速
原理：在某个时段时间T秒内，对编码器输出脉冲进行计数。



2）作转速测量用-低速
原理：引入一频率为fc的高速脉冲源，在编码器所发生的两个脉冲之间的时间内去捕捉频率为fc的高速脉冲的个数m。此方法完全可以应用到单片机的测速，也包括“1）作转测量用-高速”。





一般情况说明：



3）作伺服系统反馈元件用
在闭环伺服控制系统中，编码器常和伺服电机轴端相连。这时，编码器的实际发出脉冲数常常代表伺服电机在一圈中的相对位置被反馈到伺服驱动器中，和控制器发来的指令脉冲进行比较而控制伺服电机的运行。这时编码器是作为闭环反馈元件使用的。
4、增量式编码器的使用1）主要电性能参数
电源电压、分辨率、最高响应频率、最高转速、信号输出形式与输出信号类型。

分辨率：编码器每圈输出脉冲数，俗称为多少线。每种型号的编码器都会做成不同分辨率的产品。线数越多，分辨率越高。分辨率较低的常用在计数和转速检测上，分辨率高的常用在定位控制中。一般在10～10000线之间。

信号输出形式-单脉冲输出







A-B输出需要两个高速输出口，两个高速脉冲输入口X1、X2。差分线性驱动需要4个高速输出口，接收需要专门的电路。
2）编码器接线、检测、安装、维护
三、脉冲当量与电子齿轮比
1、定位控制中的计算
基本要求是完成定位指令所规定的位移，同时还要满足位移的速度和精度的要求。



参与计算参数

参与计算的参数指完成定位控制要求的各个部件所已知的和要求计算的参数。而且这些能数间有一定的关系式表达。

固有参数：指一旦部件选定，相关参数不再变化的参数，红点表示。

设置参数：随控制要求需要设定的参数，用绿点表示。









2、脉冲当量与电子齿轮1）脉冲当量及其计算
（1）什么是脉冲当量

当控制器输出一个定位控制脉冲时，所产生的定位控制移动的位移。对直线运动来说，是指移动的距离；对圆周运动来说，是指其转动的角度。其单位一般采用为um/pls或deg/pls。

脉冲当量的意义

越小定位控制的分辨率越高，精度越高。所有的定位控制位移量以脉冲当量为单位计算脉冲数。

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（2）伺服系统脉冲当量计算





结论：伺服系统的脉冲当量δ与控制器所输出的脉冲数P无关，与伺服系统的参数有关。









上述5个例子说明，伺服系统的脉冲当量仅与系统本身的参数（螺距D、驱动轮直径D、模数m、齿数Z、减速比K与编码器分辨率Pm）有关，与伺服电机所接受到的脉冲数无关，这种仅与伺服系统的结构和组成参数有关的脉冲当量称之为系统的固有脉冲当量δ。

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（3）固有脉冲当量的调整

当固有脉冲当量不能满足控制要求的精度时必须对其进行调整，通过伺服驱动器的电子齿轮比来完成。

电子齿轮：在伺服驱动器设置的一对参数，相当于在控制器与电机之间的一对软齿轮。







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（4）基本关系式介绍







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（5）相关参数核算

当定位参数设定后，必须对某些参数进行核算，其目的是保证定位控制在安全范围里运行。
2）电子齿轮及其作用

















精度和转速(生产效率)是相互矛盾的。
3、电子齿轮比的快速设置和应用注意1）电子齿轮比的快速设置







2）电子齿轮比应用注意
电子齿轮比的取值：

（1）分母CDV、分子CMX取值规定了一定范围，1～1048576；

（2）脉冲电子齿轮比的取值规定了范围，0.02～500。

脉冲当量的取值及所引起的误差：

（1）脉冲当量的取值 在满足控制精度要求下，不会引起产生计算定位误差，最好是10的整数倍；

（2）脉冲当量的取值应尽量提高电机的实际运行转速。

电子齿轮比约分所引起的误差：

当分母CDV和分子CMX在计算确定后如大于所规定的取值范围时，则必须要时行约分处理。若约分必须考虑到应尽量使约分后的值最接近约分前的值。
4、定位控制中的计算示例







书本P42电子齿轮比的设置和定位程序中指令脉冲的数量和频率选择建议。

四、定位控制模式分析
1、相对定位和绝对定位
在定位控制中，控制对象是在不断进行位置移动的。这就设计到工件移动的移动量和其所处的相应位置的表示问题。也设计到控制器使用何种指令能明确告诉工件的移动量和停止位置的问题。
1）相对定位方式



指定位置与工件当前的位置的位移量。以相对位称量来计算的位移表示称相对定位方式，相对定位又叫增量式定位。

在相对定位中，若设定正方向移动为正值（电机正转），否则负值。



2）绝对定位方式
定位位置表示是位置的绝对地址值(距原点的位移量)，仅与定位位置的绝对地址值有关，而与当前位置无关。

若定位位置在原点正方向为正值，否则为负值。







3）定位方式的执行
（1）先确定定位控制方式，以后的定位控制指令中的值均按确定定位控制方式理解，常用在定位模块和定位单元中；

（2）根据指令的功能说明确定，常用在PLC中。
2、原点和零点1）机械原点与电气原点
机械原点是设备本身所固有的，一旦设备装备好，其机械原点的位置也就确定了。通过各种无源或有源开关来确定的，因开关精度有限，加之高速回归惯性，就产生了原点重置性较差的问题，每次原点回归的原点位置不完全一样。为解决上述问题，人们采用了利用原点开关来确定原点位置的方法。当工件进行原点回归时，以先高速后低速向原点主向运动，碰到原点开关后以一定方式停止。把这个有原点开关并通过一定方式停止的点称之为电气原点。原机械原点作保护性限位开关。

通常把坐标系中地址值为0的点作为所有加工数据的参照点，把坐标系中其他位置的地址值称作绝对地址值。机械原点和电气原点并不是一个点，它们并不重合，电气原点位置非常灵活。总是把电气原点设置在靠近机械原点的地方。
2）电气零点与机械零点
在定位控制中，当前值数据寄存器表示物体当前位置的绝对地址值（CP），电气原点的CP=0。实际操作中，CP=0的点位置是可以在定位控制的有效行程内任一点位置设置的，其必要条件是确定好这个位置后，其值必须为0，这种可在任意点设置为CP=0的点，为和电气原点相区别，它称之为电气零点。

电气原点是在控制中执行了原点回雪指令（有一定要求和步序）后所回到的点，这个点是固定的，一旦确定不再变化。

电气零点是在当前值寄存器数据CP=0的点，它可以在任意点设置。





原点和零点的应用：

常常把电气原点的绝对地址值CP设为0，这时，电气原点和电气零点合二为一，为同一点，一般统称为原点。

在某些情况下，电气原点和电气零点为二个点，这时电气零点CP设为0，而电气原点的CP则不为0。
3、定位控制模式相关参数1）速度参数
在定位控制运行中涉及的速度参数有：原点回归速度、爬行速度、最高速度、基底速度、运行速度等，以及与速度有关的时间参数：加速时间、减速时间等。

（1）原点回归速度和爬行速度

电机执行原点回归指令时，最初以原点回归速度向原点回归，当磁到相应信号后，由原点回归速度减速至爬行速度而完成原点回归动作，高速回归低速定位。

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（2）最高速度

指电机在运行中的最大速度。一般情况下，最大转速不要超过电机额定转速。最大转速还受到PLC的最高输出频率的限制。故一般都是把PLC最高输出频率作为其最高速度。

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（3）基底（启动）速度：

指步进电机开始加速的速度，其含义是：当脉冲输出频率达到基底速度时，电机才开始加速到运行速度。伺服电机不关注。

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（4）运行速度

为电机在定位控制运行时设置的速度，一般不要超过最高速度，不要小于基底速度。

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（5）加速时间Ta和减速时间Tb

加速时间Ta指电机从基底速度加速到最高速度所需的时间。减速时间Tb指电机从最高速度减速到基底速度所需时间。



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（6）速度和时间参数的设置

直接在定位指令操作数中指定或在指定的特殊数据寄存器设定；时间参数一般通过指定的特殊数据寄存器设定。



2）位置参数
在定位控制运行中涉及的位置参数有：运行位置和运行位置当前值寄存器（CP）

运行位置：指工件在执行定位指令运行时的位移，一般由指令给出。但必须注意，运行位置有2种确定方式：相对定位方式运行时的位移量；绝对定位方式运行时的绝对地址值。这两种运行方式的运行位移值是完全不同的。

运行位置当前值寄存器（CP）

在定位控制中，当前值寄存器是记录物体运行的当前位置绝对地址值的一组特殊数据寄存器。它的值是随着物体当前位置变化而变化。

在原点位置上，当前值寄存器的数据是0，当物体作正转方向运动时，当前值寄存器的数据随位置变化而增加，当物体作反转方向时，则随位置变化而减少。故当前值所存储的数据始终是以原点位置为参考点的当前位置值，亦即为绝对地址值，与所用定位指令性质无关。
4、原点回归模式分析1）为什么要进行原点回归操作
原点回归：机械所停止的位置不一定是原点，从当前位置回到原点的操作叫做原点回归。

工件在每次断电后所停止的位置不一定是原点，但PLC内部当前位置数据寄存器都已清零。这样就需要做一次原点回归操作而保持数据的一致性。

控制系统在首次投入运行，也必须先做一次原点回归操作，确保原点位置的准确性。
2）原点回归操作方式
原点回归模式有2种回归方式：DOG块信号原点回；零相信号计数原点回归。





DOG块信号原点回归特点：

开始位置只能在原点右边

对DOG块的长度有一定要求

重复精度受制于开关和DOG块限制

零相信号计数原点回归：

在近点开关DOG由ON变成OFF时，对编码器输出的Z相信号（零相信号）进行计数，当零相信号到达所设定的数目时，电机停止，停止位置为原点。



零相信号计数原点回归特点：

必须有编码器的Z相信号；

对DOG块的要求降低了；

重复精度比DOG块原点回归有适当提高。
3）原点回归的搜索功能
对DOG块信号原点回归来说，其开始位置只能在原点的右边区域内进行。若DOG块压住近点开关、DOG块牌近点开关左边区域或DOG块与限位开关保持 接触都不能进行原点回归。这就使DOG块信号原点回归模式应用受到了很大的限制。为此，又开发出了带搜索功能的原点回归模式。





DOG块压住B点近点开关：先向右运行，当DOG块前端离开近点开关时，以爬行速度向左运行，后端一离开B点近点开关立即计数Z相信号，脉冲数到停止。PLC指令自动执行。



DOG块处于C点：往右运行碰到D点左限开关，电机反转往右运行，后端碰到B点近点开关，后面的动作同上。



DOG处于D点：先往右运行，其他动作同上。
5、单速运行模式分析1）单速定长运行模式分析
当工件以一种运行速度从位置A向位置B移动时称作单速定长运行模式。

单速运行模式是定位控制中最基本也是最常用的运行模式，一般的定位控制指令都是针对单速运行模式所设计的。在定位控制中，工件的复杂定位一官半职直就一段一段的单带运行模式的连接。



单速定长运行模式参数：

运行位置方式（相对或绝对）

最高速度

运行速度

加速时间Ta和减速时间Tb

位移量或绝对地址值
2）单速手动(JOG)运行模式分析
单速运行模式的特例，定位控制中不可缺少的运行模式。不管何种定位控制，都要求在程序中编入手动正反转运行程序。



单速手动（JOG）运行模式参数：

最高速度

手动速度（大于步进电机基底速度）

加速时间Ta和减速时间Tb

位移量设置为最大
3）中断单速定长运行模式分析
单速运行模式的一种变通和补充，当运行起动后，工件以指令规定的运行速度一直在移动，没有具体的目标位置。直到有中断信号输入时，运行就以运行速度运行运行到指令指定的位移量时停止。



中断单速定长运行模式参数：

最高速度

运行速度

加速时间Ta和减速时间Tb

定长位移量

中断信号输入
6、多速运行模式分析
在定位控制的实际应用中，往往为了提高生产效率和保证加工精度，需要在一个定位控制中用两种速度运行。例如：工件的快进-工进等控制就是。这时，可用二次单速运行模式进行定位连续运行来完成。但是单速运行模式有一个缺陷，它每次运行旱季要减速到停止后才能进行第二次单速运行。



双速定位运行模式参数：

最高速度

基底速度

加速时间Ta和减速时间Tb
7、表格定位运行模式分析
无具体的定位指令，事先把定位控制的操作模式、操作要求（输出频率、脉冲个数、脉冲方向）以指令的形式事先存放在一些存储单元内，形成一张表格，表格中的每一行表示一个定位控制操作。这张表格随同程序一起写入到PLC中去。然后在程序中用指令进行调用。



表格定位运行模式的应用和子程序调用十分相似，在需多种运行操作的定位控制中应用十分方便，可以简化程序。