微型plc运动控制实现实用化

运动控制洞见

• 微型可编程逻辑控制器(plc)有助于运动控制应用。微型plc和步进电机可以经济地提供闭环运动控制，比伺服电机节省资金。
• 微型PLC比大型PLC产品线更易于编程，尤其适用于较小的应用。
• 微型plc可以自动化机器的某些部分，并提供无缝边缘和工业物联网(IIoT)连接。

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小型可编程逻辑控制器(plc)更容易与步进电机一起使用，在以前只有更昂贵的伺服电机系统才能控制的应用中提供更高的精度。微型plc还为运动控制设计带来了其他好处。

电机的电子运动控制广泛应用于工业机械，以执行快速，准确，节能的部件和机构的运动。早在20世纪60年代推出的原始版本是需要协调的复杂的单个设备。后来，更多的集成版本的电子运动控制电机，兼容可编程逻辑控制器(plc)，被引入。然而，闭环运动控制仍然昂贵和复杂，它们通常只用于最苛刻的应用。

虽然闭环运动控制在商业和技术上对许多小型应用来说仍然遥不可及，但用户已经在寻找从该技术中受益的方法，并将其作为更大的边缘解决方案的一部分。最近的两项发展改变了这种情况，使plc控制的运动简单且具有成本效益，适用于工业、商业和业余应用。第一项创新是具有特定运动指令的微型plc，第二项创新是开环步进电机(一些具有集成驱动器)，为大多数应用提供足够的功率、速度和精度(图1)。

运动应用的电机选择选项

标准交流感应和直流电机是理想的开/关和连续运行在固定速度，他们可以在不同的速度与适当的驱动器使用。然而，高性能的定位、速度/加速度剖面和间歇运动需要更昂贵的伺服电机和驱动器，它们使用闭环反馈来确保准确和响应性的操作。

步进电机是另一种运动控制选择，结合了电动机的一些最好的方面，它们有直流和交流版本。步进电机需要一个驱动器，它将脉冲指令(通常非常快)转换成小的离散步进运动。步进电机具有不同的速度和扭矩能力，并且由于扭矩随着速度的增加而下降，它们通常在每分钟1000转(RPM)以下工作最好。它们可以像标准电机一样以固定或变化的速度运行，也可以按需要驱动到特定的速度和位置。

大多数步进电机是开环操作的，尽管它正变得越来越普遍，以传感器闭环方式实现它们。开环步进器在3D打印机等商业应用中很受欢迎，并且适用于操作许多类型的工业机械，如车床和计算机数控(CNC)机床。

尽管伺服电机系统在所有速度和超精确运动时都能提供全扭矩，但实现它们的成本可能是步进电机的四倍。对于许多机械应用，步进电机系统是提供所需性能的经济方式。

PLC电机技术的选择

每种电机技术都需要某种类型的驱动器，执行协调的电机运动需要运动控制器来控制驱动器。每一个被控制的电机被称为一个“轴”，对于较大的机器，经常需要协调多个“轴”相互运行。运动控制器可以与驱动器集成，或者两者可以是单独的设备。然而，即使使用专用的运动控制器，它通常仍然必须与其他监控PLC控制集成。

为了灵活和易于与其他自动控制集成，一些plc包括运动控制命令功能。不幸的是，这种功能通常只在高级产品线中可用。大多数小型plc在机器控制的其他方面工作得很好，但没有与电机集成以进行流线型运动控制的本机方法。

一些应用需要更大的plc，因为总的输入/输出(I/O)计数和许多必须协调的运动轴。例如，具有多个材料辊和移动元件的印刷机将需要一个大型PLC。但是有很多应用不需要超过三个轴-通常是设备的X, Y和Z定位-所以一个大型PLC将是多余的。

现在的情况已经改变了，运动控制能力已经渗透到微型plc，就像许多其他计算、通信和其他功能已经从大型plc迁移到较小的版本一样。微型PLC比大型PLC产品线更易于编程，特别是对于较小的应用，使得微型PLC与步进电机和驱动器的组合对许多项目具有吸引力。

微型plc运动控制控制能力

虽然微型plc没有严格的定义，但它们通常有15到128点的低I/O计数。有些是自包含的砖块，但较新的设计具有更灵活、可堆叠和模块化的配置，因此用户可以选择适当的I/O类型和计数。

多年来，这些微型plc增加了许多功能，包括高速输入(触发、定时和计数功能所必需的)、模拟I/O、比例-积分-导数(PID)循环控制、以太网网络、数据处理等。它们可用于直接控制、智能远程I/O或数据采集和工业物联网(IIoT)项目。

当使用微型plc进行步进电机运动控制时，需要寻找的两个关键功能是高速数字脉冲序列离散输出和专用运动指令。

来自PLC的离散输出可用于驱动步进电机控制器，甚至一些伺服电机控制器，如果需要的话。每个控制器需要两个输出;一个表示脉冲频率，另一个表示方向。步进电机可以在几种模式下运行，如全步(每转200步)，半步(每转400步)，以及每转50,000步。精细的步进模式提高了精度和平滑度，但限制了最大速度。用户必须考虑这些特征之间的权衡，选择适合应用程序的步骤模式。

当然，PLC还需要相关的硬件配置模式，以定义哪些数字输出与步进驱动器相关，以及相关的缩放。这个设置应该是直观的，可以帮助用户操作设备。

虽然一些深奥的运动应用程序可能需要高级命令，但如果PLC命令包含以下方面的压缩和简化指令集，则大多数应用程序都可以实现:

• 归巢(图2):
  由于步进系统不使用编码器反馈，因此有必要定期将硬件驱动到已知位置(通常是一个或多个限位开关)，以验证或“返回”每个轴的校准。基于应用程序有六种常见的寻的方法:
  • 移动到开关1，爬行到开关2，然后停下来
  • 移动到1号开关，然后停下来
  • 移动到1号开关，然后减速
  • 移动到1号开关，然后离开并返回
  • 移动到1号开关，然后减速一段距离(定位)
  • 设置当前位置为home。
• 移动速度:
  这一动作允许用户定义电机轴应驱动到的目标速度，以及实现该目标所需的相关加速或减速。可以启用一个称为“s曲线”的增强选项，以确保加速和减速率顺利启动和结束，以防止由于惯性或摩擦损失而导致的位置损失或意外的产品运动。
• 位置移动(图3):
  这个动作允许用户定义最多三个轴应该驱动到的目标位置，包括相关的加速度、减速和速度以达到该位置。s曲线也应该是这类移动的一种选择。

连接两个或三个轴进行组合运动的能力，通过一个指令创建一个组合矢量，功能非常强大。控制器计算每个轴的加速度、速度和减速，因此所有轴的开始和结束都是同步的。这是对设备的常见需求，通常使用X-Y或X-Y- z运动。

微型plc运动功能使运动变得简单

运动应用程序的开发人员必须对实现做出明智的决策，考虑诸如电机监控和状态信息、归位操作的方式和频率(例如每个周期一次、中间周期或更多/更少)以及适当的故障模式等因素。

这些开发人员将发现，当使用现代微型plc(具有基本配置规定和寻的、速度和位置指令)与步进电机控制器结合使用时，先进的运动控制得到了简化。作为一个额外的好处，微型plc可以自动化同一台机器的其他方面，并提供无缝边缘和工业物联网连接。

康纳佩里HMI和Click产品组的技术产品经理在哪里AutomationDirect．

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