步进电机定位控制

Name: Darra Software PLC
Author: Darra

1. 设备简介

步进电机定位平台是 3C 电子、医疗实验室、小型自动化行业最常见的通用工装, 涵盖点胶机、锁螺丝机、丝印机、激光打标台、在线检测治具、桌面 SCARA 等应用, 负载 ≤ 5 kg、行程 300×300×200 mm 范围内的单台设备几乎都用步进方案 (成本仅为伺服的 1/3)。本案例以三轴点胶机为对象, X/Y 行程 300 mm、Z 行程 150 mm, 采用两相步进电机 1/32 细分 (6400 脉冲/转), 最大脉冲频率 200 kHz, 理论定位精度 ±1 脉冲 / 含机械误差 ±0.05 mm。HMI 支持 16 组示教点位手动记录与自动顺序执行, 配合点胶阀在线开关, 可直接投产小批量点胶作业, 节拍目标 ≤ 2 秒/点。

2. 项目模块组成

机械部分: X/Y/Z 丝杠模组 + 点胶阀 + 工件夹具 + 9 路 (6 限位 + 3 零点) 传感器
电气部分: 研华工控机 + 汇川 4PTO 脉冲模块 + IO 模块 + 雷赛 DM556 驱动器 × 3 + 57 系列步进电机 × 3
软件部分: OB30 运动周期 + OB1 主循环 + FB_AxisManager + FB_TeachPointSeq + FB_GlueControl + DB_Teach

3. 机械装配架构

工件由操作员放入工装夹具, PLC 发起回零流程 (先 X, 再 Y, 再 Z) 后进入自动模式。点胶阀安装在 Z 轴下端, X/Y 移动到目标点位 → Z 下降到点胶高度 → 阀开启保持 Tdwell → 阀关闭 → Z 抬升 → 下一点, 循环至 16 点完成, 操作员取出工件进入下一循环。

4. 程序架构

OB30 以 2 ms 运动周期执行 PLCopen MC 指令 (Home/MoveAbsolute/Stop), OB1 处理示教点顺序执行状态机, FB_GlueControl 根据步进位置控制点胶阀开关。所有 16 组点位 Retain 持久化于 DB_Teach。

5. 硬件选型 BOM

品牌	型号	数量	单价 (¥)	用途
研华	MIO-5272 工控机	1	3,000	主控
汇川	AM600-4PTO 4 路高速脉冲	1	1,200	X/Y/Z 脉冲发生
汇川	AM600-1616END	1	850	DI/DO
雷赛	DM556 两相驱动器	3	350	步进驱动
国产通用	57 步进电机	3	180	电机
欧姆龙 (国产替代)	E3F-DS30C4 光电限位	6	35	±限位 × 3 轴
国产通用	LJ12A3-4-Z/BX 接近开关	3	45	零点
威纶通	TK6071iP 7"	1	1,100	本地 HMI
明纬	LRS-150-24	1	180	24V 电源
机械	丝杠 + 直线导轨 3 套	1	4,500	机械结构

6. IO 模块配置

6.1 选择 IO 模块

IDE 项目树 > IO 设备 > 右键 > 添加 IO 设备:

从站 1: 汇川 AM600-4PTO — X/Y/Z 脉冲+方向输出
从站 2: 汇川 AM600-1616END — 限位/零点/按钮采集与点胶阀控制

4PTO 在 从站属性 > PDO 配置 中设置脉冲频率上限 200 kHz, 脉冲模式 = 脉冲 + 方向。

6.2 IO 地址分配

地址	模块	信号	用途
%IX0.0	从站 2	X_PosLim	X 正限位
%IX0.1	从站 2	X_NegLim	X 负限位
%IX0.2	从站 2	X_Home	X 零点
%IX0.3	从站 2	Y_PosLim	Y 正限位
%IX0.4	从站 2	Y_NegLim	Y 负限位
%IX0.5	从站 2	Y_Home	Y 零点
%IX0.6	从站 2	Z_PosLim	Z 正限位
%IX0.7	从站 2	Z_NegLim	Z 负限位
%IX1.0	从站 2	Z_Home	Z 零点
%IX1.1	从站 2	SB_Start	启动
%IX1.2	从站 2	SB_EStop	急停 (常闭)
%QX0.0	从站 2	Valve_Glue	点胶阀
%QX0.1	从站 2	HL_Run	运行灯
%QX0.2	从站 2	HL_Fault	故障灯

6.3 IO 用途分工

PLC 主控: 全部运动控制 + 状态机 + 示教点管理, 均在 PLC 完成
轴绑定: X/Y/Z 三个 PLCopen MC 轴对象分别绑定到 4PTO 的 Ch0/Ch1/Ch2
限位硬联锁: 每轴 +/- 限位信号在 OB30 内实时检测, 触发立即 MC_Stop
示教面板: 操作员按住点动按钮移到目标位置, 按 "记录当前点" 即存入 DB_Teach

7. 核心数据结构

TYPE UDT_Point:
STRUCT
    rX, rY, rZ  : REAL;
    rSpeed      : REAL;
    tDwell      : TIME;
    bGlueOn     : BOOL;
    sName       : STRING[20];
END_STRUCT
END_TYPE

TYPE UDT_GlueMachine:
STRUCT
    aPoints     : ARRAY[0..15] OF UDT_Point;
    nCurrentIdx : INT;
    bHomed      : BOOL;
    bAutoRun    : BOOL;
    eState      : INT;           // 0=idle 1=homing 2=running 3=fault
    rCurX, rCurY, rCurZ : REAL;
    nCycleCount : DINT;          // 累计完成次数 (Retain)
END_STRUCT
END_TYPE

VAR_GLOBAL RETAIN
    gMach : UDT_GlueMachine;
END_VAR

VAR_GLOBAL
    axisX, axisY, axisZ : AXIS_REF;
END_VAR

8. 核心程序代码

FB_AxisManager — OB30 2 ms 运动周期:

FUNCTION_BLOCK FB_AxisManager
VAR
    mcHome_X, mcHome_Y, mcHome_Z          : MC_Home;
    mcMoveAbs_X, mcMoveAbs_Y, mcMoveAbs_Z : MC_MoveAbsolute;
    mcStop_X, mcStop_Y, mcStop_Z          : MC_Stop;
END_VAR

// 轴状态读取
gMach.rCurX := axisX.ActPos;
gMach.rCurY := axisY.ActPos;
gMach.rCurZ := axisZ.ActPos;

// 急停 → 全轴 MC_Stop
IF NOT SB_EStop THEN
    mcStop_X(Axis := axisX, Execute := TRUE);
    mcStop_Y(Axis := axisY, Execute := TRUE);
    mcStop_Z(Axis := axisZ, Execute := TRUE);
    gMach.eState := 3;
END_IF;

// 限位硬联锁
IF X_PosLim OR X_NegLim THEN mcStop_X(Axis := axisX, Execute := TRUE); END_IF;
IF Y_PosLim OR Y_NegLim THEN mcStop_Y(Axis := axisY, Execute := TRUE); END_IF;
IF Z_PosLim OR Z_NegLim THEN mcStop_Z(Axis := axisZ, Execute := TRUE); END_IF;

FB_TeachPointSeq — 示教点顺序执行状态机:

FUNCTION_BLOCK FB_TeachPointSeq
VAR
    tonDwell    : TON;
    stepState   : INT;
END_VAR

CASE gMach.eState OF
    0: // 空闲
        IF SB_Start AND NOT gMach.bHomed THEN
            gMach.eState := 1;
        ELSIF SB_Start AND gMach.bHomed THEN
            gMach.eState       := 2;
            gMach.nCurrentIdx  := 0;
            stepState          := 0;
        END_IF;

    1: // 回零 (先 X, 再 Y, 再 Z, 二次精确寻零)
        mcHome_X(Axis := axisX, Execute := TRUE, Position := 0.0);
        IF mcHome_X.Done THEN
            mcHome_Y(Axis := axisY, Execute := TRUE, Position := 0.0);
            IF mcHome_Y.Done THEN
                mcHome_Z(Axis := axisZ, Execute := TRUE, Position := 0.0);
                IF mcHome_Z.Done THEN
                    gMach.bHomed := TRUE;
                    gMach.eState := 0;
                END_IF;
            END_IF;
        END_IF;

    2: // 自动执行示教点
        CASE stepState OF
            0: // X/Y 同步定位
                mcMoveAbs_X(Axis := axisX, Execute := TRUE,
                            Position := gMach.aPoints[gMach.nCurrentIdx].rX,
                            Velocity := gMach.aPoints[gMach.nCurrentIdx].rSpeed);
                mcMoveAbs_Y(Axis := axisY, Execute := TRUE,
                            Position := gMach.aPoints[gMach.nCurrentIdx].rY,
                            Velocity := gMach.aPoints[gMach.nCurrentIdx].rSpeed);
                IF mcMoveAbs_X.Done AND mcMoveAbs_Y.Done THEN
                    stepState := 1;
                END_IF;

            1: // Z 下降
                mcMoveAbs_Z(Axis := axisZ, Execute := TRUE,
                            Position := gMach.aPoints[gMach.nCurrentIdx].rZ,
                            Velocity := 50.0);
                IF mcMoveAbs_Z.Done THEN stepState := 2; END_IF;

            2: // 点胶 + 停留
                Valve_Glue := gMach.aPoints[gMach.nCurrentIdx].bGlueOn;
                tonDwell(IN := TRUE, PT := gMach.aPoints[gMach.nCurrentIdx].tDwell);
                IF tonDwell.Q THEN
                    Valve_Glue := FALSE;
                    tonDwell(IN := FALSE);
                    stepState := 3;
                END_IF;

            3: // Z 抬升
                mcMoveAbs_Z(Axis := axisZ, Execute := TRUE,
                            Position := 0.0, Velocity := 100.0);
                IF mcMoveAbs_Z.Done THEN stepState := 4; END_IF;

            4: // 下一点 / 完成一循环
                gMach.nCurrentIdx := gMach.nCurrentIdx + 1;
                IF gMach.nCurrentIdx >= 16 THEN
                    gMach.nCycleCount := gMach.nCycleCount + 1;
                    gMach.eState := 0;
                ELSE
                    stepState := 0;
                END_IF;
        END_CASE;

    3: // 故障
        IF SB_EStop THEN gMach.eState := 0; END_IF;
END_CASE;

HL_Run   := gMach.eState = 2;
HL_Fault := gMach.eState = 3;

PLCopen MC 调用规范示例:

// 绝对定位
mcMoveAbs(Axis := axisX, Execute := TRUE,
          Position := 100.0, Velocity := 200.0,
          Acceleration := 1000.0, Deceleration := 1000.0);

// 点动
mcJog(Axis := axisX, JogForward := TRUE, Velocity := 50.0);

// 回零 (使用限位+零点信号)
mcHome(Axis := axisX, Execute := TRUE,
       HomingMode := HOMING_DIRECT_LIMIT, Position := 0.0);

9. 运行与调试

仿真 Runtime 验证: IDE 仿真模式空载执行回零 → 16 点循环, 观察轨迹是否闭合
下载到 Runtime: IDE "部署" → 选 Runtime IP → 下载
在线监控: 打开 DB_Teach 实时观察 nCurrentIdx 递增, rCurX/Y/Z 是否到达目标
强制测试: 在线强制 X_PosLim := TRUE, 验证 MC_Stop 是否立即生效 + eState=3
示教流程: 手动模式 → 点动到目标 → 按 "记录当前点" → 点号 +1, 重复 16 次保存
常见排查:
- 电机丢步 → 检查加减速曲线, 减小 Acceleration
- 回零不停 → 检查零点信号接线极性 + 方向设置
- 定位偏差 → 检查丝杠导程参数 + 减速比参数

10. 用到的 Darra 功能

功能模块	本案例用到的	说明
PLC 编程	SCL + OB30 运动周期 + 状态机 + UDT	IEC 61131-3
工艺对象	PLCopen MC 定位轴 × 3 (MC_Home/MoveAbsolute/Jog/Stop)	无需外购运动卡
HMI	示教画面 + 手动点动 + 轨迹可视化 + 参数配方	一体化开发
通讯	EtherCAT (PTO 脉冲模块)	高速脉冲 + 精确同步
数据记录	16 组点位 + 累计次数 Retain	断电恢复
服务	终端授权 + 远程示教点查看	OEM 按次收费

11. 项目总结

实测指标: 单点节拍 1.8 秒, X/Y 定位重复精度 ±0.03 mm, 连续 200 循环无丢步
扩展方向:
1. 升级到伺服 (汇川 SV660N × 3), 负载提升到 20 kg, 速度 × 2
2. 增加视觉定位 (相机补偿), 工件位置不固定也能精确点胶
3. 增加四轴版本 (追加旋转工位), 适合异形工件多角度点胶

1. 设备简介​

2. 项目模块组成​

3. 机械装配架构​

4. 程序架构​

5. 硬件选型 BOM​

6. IO 模块配置​

6.1 选择 IO 模块​

6.2 IO 地址分配​

6.3 IO 用途分工​

7. 核心数据结构​

8. 核心程序代码​

9. 运行与调试​

10. 用到的 Darra 功能​

11. 项目总结​