- 在自动化生产、加工及控制环节，常常需要对加工工件尺寸或机械设备移动距离进行精准定位控制。这类定位控制仅要求控制对象按指令到达指定位置，对运动速度无特殊要求，像生产中的点位控制（如卧式镗床、坐标镗床、数控机床切削前刀具定位）、仓储系统传送带定位控制、机械手轴定位控制等场景均是如此。在定位控制系统里，交流异步电机或步进电机等伺服电机常被用作驱动或控制元件，而实现定位控制的核心在于对伺服电机的控制。可编程控制器（PLC）作为专为工业环境设计的工业控制计算机，具备抗干扰能力强、可靠性高、体积小等显著优势，是达成机电一体化的理想控制设备。本文旨在详细介绍利用 PLC 控制伺服电机实现准确定位的方式，探讨控制系统设计与实施中需认识和解决的问题，给出控制系统参考方案以及软硬件结构设计思路，对工业生产定位控制的实现具有较高实用和参考价值。
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
系统工作原理
在现代工业生产自动控制中，PLC 的高速计数器指令与编码器协同工作，能够实现精确定位与长度测量。当前，多数 PLC 都具备高速计数器功能，例如西门子 S7 - 200 系列 CPU226 型 PLC 就拥有 6 个高速计数器。高速计数器可对脉宽小于 PLC 主机扫描周期的高速脉冲进行精确计数，无需增添特殊功能单元，就能处理频率高达几十甚至上百 kHz 的脉冲信号。旋转编码器则可将电动机轴上的角位移转化为脉冲值。
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准确定位的控制系统，其原理是借助与电动机同轴相连的光电旋转编码器，将电机角位移转变为脉冲值，再由 PLC 的高速计数器统计编码器发出的脉冲个数，以此达成定位控制。
设计与实施
以传输带定位控制设计为例进行说明。现需用传输带运送货物，从货物运送起点到指定位置（终点）距离为 10 cm。要求当传输带上货物运行 10 cm 后，传输带电机停止运行。该系统硬件配置主要包含西门子 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。该系统工作原理为：将光电编码器的机械轴与由三相交流异步电机拖动的传动辊同轴相连，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）个数计数，当高速计数器当前值等于预置值时触发中断，通过变频器控制电动机停止运行，从而实现传输带运行距离的精准定位控制。显然，此控制系统实现准确定位控制的关键在于对 PLC 高速计数器预置值的设定，高速计数器预置值即传输带运行 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、光电编码器每转脉冲数以及传动辊直径等参数相关。该脉冲数既可以通过实验测量得出，也能通过计算获得。经计算，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)
在子程序中，将高速计数器 HSC0 设为模式 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。系统启动运行时，调用子程序 HSC_INIT，目的是初始化 HSC0，将其控制字节 SMB37 数据设为 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（即高速计数器当前值等于预置值中断）与中断服务程序 COUNT_EQ 相连，并执行 ENI 指令，全局开中断。当高速计数器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。
利用 PLC 的高速脉冲指令控制步进电机实现准确定位
系统工作原理
步进电机因具备结构简单、控制便捷、转动惯量低、定位精度高、无累积误差以及成本低廉等优势，成为工业控制的主要执行元件，尤其在精确定位场景中应用广泛。在工业生产里，步进电机与生产机械的连接方式多样，常见的是步进电机与丝杠连接，将步进电机的旋转运动转化为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，只需控制步进电机的转速和角位移大小即可。在非超载情况下，步进电机的转速和角位移仅取决于脉冲信号的频率和脉冲数。其输出角位移与输入脉冲数成正比，转速与脉冲频率成正比。改变绕组通电相序，可实现步进电机反转。
目前，世界主要 PLC 厂家生产的 PLC 均设有专门的高速脉冲输出指令，能便捷地与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，其实质是 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运行，推动工作台移动至指定位置，达成准确定位。
利用 PLC 控制步进电机实现准确定位的关键在于对 PLC 产生脉冲数的设定。而脉冲数与脉冲当量、传动速比、步进电机驱动器细分数以及脉冲频率等因素相关。
设计与实施
以货物仓储系统中直线导轨定位控制设计为例。在仓储系统中，要求步进电机拖动直线导轨将料块送至指定仓库门口。假设从起点到终点运送距离为 100 mm，即要求步进电机带动导轨作直线运动，定位距离为 100 mm。为实现精准定位，系统采用西门子 S7 - 200 系列 CPU226 型 PLC、四通 57BYG250C 混合式步进电机以及森创 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，分别为 Q0.0 端子和 Q0.1 端子。这两个端子均可输出 PTO/PWM 高速脉冲信号，脉冲频率可达 20 kHz。根据控制要求，系统采用高速脉冲串输出 PTO 功能，PTO 功能可输出一定脉冲个数且占空比为 50% 的方波信号。输出脉冲周期以 μs 或 ms 为增量单位。PTO 功能允许多个脉冲串排队输出，形成流水线。流水线分为单段流水线和多段流水线。
为消除电机低频振荡、提高分辨率，采用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，步进电机运行通常历经启动加速、恒速运行以及接近定位点时的减速运行三个过程。为维护步进电机及驱动设备，要求驱动脉冲频率线性增大，因此，本定位控制系统采用多管线操作控制电机运行过程。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。定位精度仅与步进电机脉冲当量有关，取脉冲当量为 0.11 mm / 脉冲，则需 900 个脉冲完成定位。步进电机运行过程中，用 200 个脉冲完成升频加速，从 A 点加速到 B 点后恒速运行，500 个脉冲恒速运行，又从 C 点开始，用 200 个脉冲完成降频减速至 D 点完成定位。
由此确定 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
这种控制方式属于对步进电机的开环控制，具有结构简单、成本低、定位准确、易于实现等优点。
控制系统在设计与实施过程中的注意事项
- PLC 类型的选择：首先，PLC 必须是能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。
- 步进电机脉冲细分驱动器的选择及参数设置：需谨慎挑选并合理设置相关参数。
- 步进电动机的选择：首先考虑步进电动机类型，其次是品种。依据系统要求，确定步进电动机的电压值、电流值、有无定位转矩及使用螺栓机构的定位装置，进而确定步进电动机的相数和拍数。在进行品种选择时，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，以确定步进电机具体规格和控制装置。
- 脉冲当量的计算：精确计算脉冲当量，以保障定位精度。
利用 PLC 的其他方式实现的准确定位
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、气缸构成一个闭环控制系统。其中 PLC 作为控制运算核心，光栅尺作为检测装置，检测气缸活塞移动量，并将检测结果通过 PLC 模拟量输入端子反馈至 PLC 内部，与设定值比较后进行 PID 调节，PID 运算结果通过 PLC 继电器输出接口驱动交流或直流电磁阀，由电磁阀开关改变气缸活塞移动的流量，使气缸精确运动到目标位置，实现准确定位。
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，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。该模块带有八个数字输出，在 I/O 组态中作为智能模块，可提供单轴、开环移动控制所需的功能和性能，提供高速控制，速度范围为 12 - 200 000 脉冲 /s。STEP7 - Micro/WIN 为位置控制模块的组态和编程提供位置控制向导，可生成组态 / 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。
结语
实践表明，本文所提出的由 PLC、旋转编码器、伺服电机等构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，可广泛应用于工业生产及军事领域。如板材精确定长切割、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、送膜包装等使用异步电机或步进电机实现定位控制的领域，均具有一定实用和参考价值。
