PLC控制步进电动机在机械手中的应用*

王文红，任 娟，金 浩

（沙洲职业工学院，江苏张家港 215600）

0 引言

机械手是近几十年发展起来的一种高科技自动操作装置，完成抓取、搬运、装配、焊接、检测、码垛、上下料等，应用非常广泛，在自动化工厂随处可见。机械手能按程序完成精准的动作，依靠各自由度精确的位置控制。

步进电动机是一种用电脉冲控制运转的电动机，可以实现高精度的角度控制，由于可以用数字信号直接控制，因此很容易与微机相连接，是位置控制中不可缺少的执行装置[1]。

与步进电动机相连的微机常用的有单片机、可编程控制器（PLC）等[2]。单片机是嵌入式微控制器，结构小巧，成本低，比较灵活，通过程序来实现各控制功能。但单片机实现位置控制，需要二次开发，还要设计接口、驱动等外围电路，软件设计也较复杂，且系统的抗干扰性能不够好，可靠性并不高。

可编程控制器（PLC）是以微处理器为核心的工业控制装置，功能强大、可靠性高，通用性好，已广泛用于自动化控制的各个领域，是现代工业控制的支柱产品。PLC配合步进驱动器，并利用专用的脉冲控制指令，可以对步进电动机进行有效控制，到达位置的精确控制。与单片机控制系统相比，硬件设计更简单、软件编程更便捷，控制系统抗干扰能力也更好。

本文介绍PLC控制步进电动机，对机械手精确的位置控制，实现工件定点搬运功能。

1 机械手结构

机械手由底盘、横轴、竖轴和手爪等组成，如图1所示。手爪是一手爪气缸，气控实现其夹紧和张开动作，手爪气缸安装在横轴上，由横轴步进电动机驱动可作水平伸缩运动，手爪在直流电动机驱动下可在一定范围（0°～270°）内回转；竖轴步进电动机驱动整个横轴作上下移动；整个机械手（横轴、竖轴和手爪）在底盘直流电动机驱动下可在一定范围内（0°～270°）的转动[3]。

图1 机械手结构

为方便完成工件定点搬运，机械手在水平伸缩、上下升降、整体回转、手爪回转4个自由度上需精确定位。其中，机械手水平伸缩、上下升降的位置控制采用步进驱动方式。

2 基于PLC的步进电动机位置控制系统

2.1 控制原理

机械手水平伸缩和上下升降的位置控制采用PLC+步进驱动方式，其位置控制系统主要由PLC、步进驱动器、步进电动机、传动机构等组成。如图2所示，PLC为核心控制器，并输出脉冲信号；步进驱动器起放大信号（主要是电流）作用；步进电动机是执行电机；传动机构将步进电动机的旋转运动转变为直线运动[4]。在机械手系统中，PLC以一定的频率和方向发送脉冲信号，通过步进驱动器，使步进电动机以一定速度和方向，完成精确角位移，通过联轴器带动滚珠丝杠副，实现机械手的水平（或上下）直线位移，在横轴（或竖轴）两端加限位开关作终端保护。

图2 步进电动机位置控制系统

2.2 电气硬件设计

可编程控制器控制步进电动机，PLC必须选择晶体管输出型，有高速脉冲输出功能。选松下FP1-C16T，输入点8点（X0～X7），输出点8点（Y0～Y7），脉冲频率高达10 kHz，同时可以输出两路高速脉冲[5]，分别控制横轴步进电动机和竖轴步进电动机。其中，Y0接步进脉冲信号，Y2接方向信号，Y0和Y2配合完成横轴控制；同理，Y1接步进脉冲信号，Y3接方向信号，Y1和Y3配合完成竖轴控制。

根据负载的大小，同时为满足机械手系统中横轴和竖轴的定位精度要求，选二相混合式步进电动机，型号42BYG250C，主要参数：步距角0.9°/1.8°，相电流1.5 A，额定转矩0.54 N·m，按八拍工作方式，通电方式是A—AB—B—B（-A）—（-A）—（-A）（-B）—（-B）—（-B）A—A的次序轮流通电[6]。

步进驱动器与步进电动机配合决定了步进驱动系统的运行性能，本系统选用森创两相混合式步进细分驱动器，型号SH-20403，主要参数：工作电源10 V-40 VDC，最大3 A输出电流，最大64细分[7]。为提高步进电动机的控制精度，并使步进驱动系统达到良好的运行性能，驱动器需完成细分设置和输出电流设置。第一，细分设置，细分实质是拆分步距角，利用驱动器上拨位开关的SW1、SW2、SW3三位可组合出7种的细分模式。在满足被控对象控制精度要求的前提下，同时考虑系统频率允许，合理选择细分数[8]，本系统驱动器选择2细分模式，SW1、SW2、SW3分别为ON、OFF、OFF。第二，电流设置，利用驱动器上拨位开关SW5、SW6、SW7三位可组合出8种的输出电流，以配合不同的步进电动机使用。驱动器动态电流的设定一般取决于负载及加速转矩，若太小，电机将带不动负载，出现堵转；若太大，电机过热易烧坏且噪音大。在保证速度和力矩下，为了延长步进驱动系统的使用寿命，驱动器输出电流设定与步进电动机额定相电流相当或略低一些[2]。本机械手步进驱动电流设置为1.5 A，SW5、SW6、SW7分别为ON、OFF、ON。

以PLC控制机械手横轴为例，PLC与步进电动机的接线图如图3所示[9]，PLC输出端COM接DC24V负极，驱动器OPTO公共端接DC24 V正极，PLC输出端Y0串分压电阻R（2 kΩ）接驱动器CP步进脉冲信号，PLC输出端Y2串分压电阻R（2 kΩ）接驱动器DIR方向电平信号，FREE脱机信号悬空不接；步进电动机上4根接线（A+、A-、B+、B-）直接和驱动器（A+、A-、B+、B-）相连；驱动器电源输入DC24 V。

图3 PLC控制步进电动机电气接线图

2.3 PLC软件设计

在机械手系统，机械手水平伸缩和上下升降的位置精确控制由PLC控制步进电动机来实现，PLC程序中脉冲数，决定步进电动机转角；PLC程序中脉冲频率，决定步进电动机转速；PLC程序中方向信号决定步进电动机转动方向。

2.3.1 步进电动机位置控制

机械手系统中，PLC控制步进电动机转动，由滚珠丝杠副实现机械手横向（或纵向）直线移动，其移动距离L（mm）与PLC发出脉冲数N之间的关系为：

式中：P为滚珠丝杠螺距，P=4 mm；θ为步进电动机步距角，θ=0.9°；m为步进驱动器细分数，m=2。

应用中，根据机械手横轴（或竖轴）实际所要移动距离，按公式可以方便地计算出PLC编程中重要参数——脉冲数。

2.3.2 步进电动机速度控制

机械手系统中，PLC控制步进电动机转动，由滚珠丝杠副实现机械手横向（或纵向）直线移动，其移动速度（mm/s）与PLC发出脉冲频率f之间的关系为：

式中：P为滚珠丝杠螺距，P=4 mm；Zr为步进电动机转子齿数，Zr=50；K为步进电动机运行拍数，K=8。

应用中，根据机械手横轴（或竖轴）实际所需移动速度，按公式可以方便地计算出PLC编程中重要参数——脉冲频率（运行频率）。

步进电动机从静止开始起动，需克服惯性转矩，电动机能响应且不失步，起动频率一般较低，然后逐渐加速到所需的运行频率。当电动机从运行频率到停止时，为防止位置过冲现象，先减速再停止。因此，步进电动机的速度按“起动-升频-稳频-降频-停止”的过程，呈梯形速度特性。

2.3.3 步进电动机PLC程序设计

为配合步进电动机运动控制，实现位置和速度控制要求，松下FP1 PLC有专用的高速脉冲输出指令，脉冲输出指令需设定控制代码（输出方式）、初始速度（起动频率、开始频率）、最大速度（运行频率）、加（减）时间、目标值5个参数。以机械手横轴步进电动机定位控制为例，为了能快速平稳地起停、运行，运行参数确定如下：起动频率为500 Hz，运行频率为2 000 Hz，频率上升、下降时间为500 ms，脉冲数为8 000个，PLC程序如图4a）所示[10]，当输入条件满足时，功能指令F0（MV）或F1（DMV）完成控制参数的赋值，F168（SPD1）位置控制指令从Y0输出脉冲8 000个，完成横轴步进电动机位移40 mm，运行速度20 mm/s，图4（b）为其运行速度f/t图。

图4 速度与位置控制梯形图及运行速度f/t图

3 结束语

步进电动机具有较好的位置精度和运动重复性、微机控制方便等诸多优点。应用PLC控制步进电动，配合步进驱动器，通过合理设置细分和输出电流，有效保证控制精度和运行效果；PLC程序中应用专用的位置控制指令，通过修改参数，有效进行速度控制，达到精确位置控制要求。

在本文设计的机械手中，用一台PLC控制两台步进电动机，通过滚珠丝杠副实现机械手横向和纵向直线运动，完成机械手伸缩半径和升降高度的精确定位，横向、纵向往复移动距离280 mm，位置精度±0.02 mm，实现了在开环控制方式下达到较好的定位效果。