第10章 PLC位置控制系统中手轮应用技术研究

三菱FX3U PLC本身具备三个高速脉冲输出口，可以连接三套伺服系统，构成精密定位工作机械。其高速脉冲输出口具备100K的输出频率。这样，由FX3U构成定位控制系统时就可以省略原来需要的脉冲发生单元FX2N-1PG或FX10GM定位单元，以比较节约的成本组成多轴运动控制系统。实际构成定位控制系统时，很多工作机械要求用手轮进行精确地定位，但是单独由PLC构成的运动控制系统内没有独立的手轮接口，如何才能满足这类工作机械的要求呢？本章将对此问题作一些研究。

10.1 FXPLC使用手轮理论上的可能性

三菱FXPLC内关于运动控制的指令有回原点指令、相对定位指令和绝对定位指令。其程序指令如图10-1所示。

图10-1 FXPLC具有的定位控制指令

其构成的运动模式有回原点模式、点动（JOG）模式和自动（定位）模式三种。

点动（JOG）模式实际上是使用了“相对定位指令”，而手轮模式与JOG模式类似，如果要加入“手轮运行模式”，也必须在现有的可以使用的指令基础上加以开发。要使用手轮运行模式必须具备下列条件：

PLC输入接口必须能接收手轮的高速输入脉冲，并且识别正、反向脉冲，这个输入的脉冲值就作为定位的数据。而且，随着手轮输入脉冲的变化，能相应地发出“相对定位指令”或“绝对值定位指令”，使伺服电动机跟随运动。

10.2 PLC程序的处理

基于以上考虑，对PLC程序作了如下处理。

1）使用FXPLC内部的高速计数器C251接收来自手轮的脉冲信号。高速计数器C251具有双相双输入，手轮的A、B相脉冲信号接入PLC的两个输入点，这样能及时检测到手轮的正、反转脉冲信号，高速计数器C251内的计数值随着增加或减少，而C251内的数值正好可以作为定位的数据。

2）使用手轮的目的一是为了获得足够慢的速度；二是为了获得精确的位置数据，为最终的自动程序提供位置数据。因此，在手轮模式下驱动电动机必须使用绝对值指令，这样，通过监视当前值寄存器的数值就能获得精确的位置数据。

10.3 实际接入手轮信号后遇到的问题及处理方法

10.3.1 手轮的输入信号

选用的手轮是带A、B相脉冲的手轮，工作电压为直流12～24V，集电极开路输出，A、B相脉冲信号分别接入PLC的X0、X1端。手轮的直流0V端与PLC输入信号的COM端相连。与其相关的PLC程序如图10-2所示。

连线完毕上电后，可以监视到C251的值随着手轮的正反转而变化。

图10-2 用于处理手轮信号的高速计数器PLC程序

使用绝对值定位指令，以高速计数器C251的数据D250作为定位数据，保持起动指令X22=ON一直接通，摇动手轮，可以监视到定位数据一直变化，但实际电动机并未动作，这是什么原因？难道该指令失效了？

经过实验，这条指令（即绝对值定位指令）在一次定位完成后，即使定位数据发生变化，其指令并不生效，必须重新起动触发条件（X22）后，该指令才重新执行一次。

这样在用手轮给出定位数据后，还必须给出一起动信号，电动机才能运行。实验中，单独给出一起动信号，电动机确实能随手轮给出的数据运动，但电动机的运动一方面显得“迟钝”，另一方面，其速度忽快忽慢。其“迟钝”的原因是“起动信号”总是在手轮停止后才发出，不可避免地要出现“迟钝”，这种效果不能进入实用阶段。那么，怎样才能具有手轮模式的边摇边动的效果呢？

10.3.2 对手轮运行模式下“起动信号”的处理

问题的关键是处理“起动信号”。由于PLC内的高速计数器C251表示了手轮输入脉冲数据的状态。当C251不等于零时表示有脉冲输入，可以用这个状态作为“起动信号”，当定位完毕后用PLC内部的“定位完成标志M8029”对C251置零，按照这个思路编制了PLC程序，未能得到良好效果，电动机时转时不转，也不能进入实用阶段。

那么，直接用脉冲信号作为“起动信号”可以吗？从手轮的A、B相输入的脉冲已经接入PLC的X0、X1端作为计数信号，再将A、B相信号连接在PLC的输入端X6、X7上，用其作绝对值定位指令的“起动信号”，效果会怎样呢？按此思路编制了PLC程序，如图10-3所示。

图10-3 起动信号的处理

实验效果是，摇动手轮后，电动机能随之正、反向运动，但快速摇动手轮时，电动机不能随之快速运动，有时甚至不动。即只有慢速摇动手轮时，电动机能正常运行。这是什么原因呢？

经过分析，其原因是当输入信号的频率高到一定数值，超过PLC程序的扫描周期时，PLC检测不到手轮A、B相信号的低电平，只检测到高电平，这样，定位指令一直保持接通ON状态，没有OFF→ON的变化，所以定位指令就没有执行。从PLC程序上监视到的情况确实是输入信号X6或X7一直保持ON状态。

如果PLC程序的扫描周期为2ms，输入信号滤波延迟时间为10ms，则允许的手轮脉冲信号频率=（1000/12）Hz，约为90Hz。实验中用手轮每转发出100脉冲，在2r/s时可以观察到电动机已经不能正常运行。

10.3.3 提高PLC处理速度响应性的方法

为了提高PLC输入信号的响应性，必须使用其高速输入/输出功能，以及缩小输入信号的滤波时间。按此思路编制的PLC程序如图10-3所示。

1）REF指令是输入输出刷新指令，该指令不受程序扫描周期的影响，直接检测输入信号并立即输出运算结果。使用该指令后，情况有些改善，但效果不明显。这是因为扫描周期的时间本身也很小，扫描周期不是主要因素。

2）输入信号的滤波时间是重要影响因素，输入信号的滤波时间较大，所以还必须减少输入信号的滤波时间。

一般的滤波时间为10ms，经过图10-3所示程序处理后，滤波时间可减少到1ms。

经以上处理后，输入信号不受PLC扫描周期的影响，输入滤波时间仅为1ms，综合其他方面的影响，其响应频率可达到300Hz。手轮的输入脉冲频率可达到300Hz，实际实验时，以3r/s的速度摇动手轮，可以驱动电动机运行，这样在伺服驱动器一侧再设定适当的电子齿轮减速比，就能获得适当的电动机运行速度，对于由PLC直接构成的定位系统而言，这样使用手轮就满足实用的工作机械要求了。

结束语：在由FX PLC构成的定位系统中可以使用手轮，而且可以获得令人满意的实用效果。