脉冲步进

Name: Darra Software PLC
Author: Darra

Darra PLC 通过 PulseDriver 支持脉冲/方向 (Pulse/Direction) 方式控制步进电机和伺服驱动器，适用于不需要实时总线的简单运动控制场景。

工作原理

信号类型

信号模式	说明	接线
Pulse + Direction	脉冲=步进, 方向=正/反	2 线
CW + CCW	正转脉冲 + 反转脉冲	2 线
A + B 差分	正交编码输出	2 线

配置

var pulse = new PulseDriver();
pulse.Configure(new PulseConfig {
    PulseOutput = "%QX0.0",      // 脉冲输出端口
    DirectionOutput = "%QX0.1",  // 方向输出端口
    EncoderInput = "%IX0.0",     // 编码器反馈 (可选)
    PulsesPerRevolution = 10000, // 每转脉冲数
    MaxFrequency = 500000,       // 最大脉冲频率 (Hz)
    AccelTime = 200,             // 加速时间 (ms)
    DecelTime = 200              // 减速时间 (ms)
});

运动控制

PulseDriver 实现 IAxisDriver 接口，支持标准 PLCopen 运动功能块：

功能块	说明
MC_MoveAbsolute	绝对位置运动
MC_MoveRelative	相对位置运动
MC_MoveVelocity	速度模式
MC_Home	回原点
MC_Stop	停止运动

(* SCL 程序示例: 绝对定位 *)
MC_MoveAbsolute(
    Axis := Axis1,
    Position := 1000.0,    (* 目标位置 (脉冲) *)
    Velocity := 50000.0,   (* 速度 (脉冲/s) *)
    Execute := TRUE
);

速度规划

PulseDriver 内置梯形速度规划：

速度
 ^
 |      ┌──────────┐
 |     /            \
 |    /              \
 |   /                \
 |──/                  \──
 +─────────────────────────→ 时间
   加速    匀速    减速

参数	说明	范围
起始速度	启动频率	100~10000 Hz
目标速度	运行频率	1000~500000 Hz
加速时间	从起始到目标	10~5000 ms
减速时间	从目标到停止	10~5000 ms

S 曲线加减速

对于需要平滑运动的场景，可在运动功能块中启用 S 曲线加减速，减少机械冲击和振动。

回原点

支持多种回原点方式：

方式	说明
正向限位	正向运动直到触发限位开关
负向限位	负向运动直到触发限位开关
原点开关	寻找原点近接开关
Z 相	利用编码器 Z 相信号
当前位置	将当前位置设为零点

限制

性能限制

脉冲输出受限于 IO 刷新速率。软件脉冲输出最大频率约 500kHz，高速场景建议使用带硬件脉冲发生器的 IO 模块或 EtherCAT 伺服。

对比项	脉冲步进	EtherCAT 伺服
最大轴数	4~8 轴	32 轴
同步精度	~1ms	< 1μs
反馈分辨率	取决于编码器	取决于编码器
电子齿轮	不支持	支持
适用场景	简单定位	多轴联动

脉冲输出硬件方案

Darra 支持三种脉冲输出:

1. 高速 DO (软件脉冲)

直接用普通数字输出模块, 由 PLC 程序按周期拉高拉低:

优点: 不需要额外硬件
缺点: 受扫描周期限制, 最高 ~500 Hz, 抖动大
适合: 非运动场景 (如呼吸灯、步进电机慢速点动)

2. 专用脉冲模块

EtherCAT / Modbus 总线上的专用脉冲输出模块:

模块	路数	最大频率	特点
Beckhoff EL2262	2	500 kHz	EtherCAT, 高速
Wago 750-511	2	100 kHz	Modbus / CANopen
ZMC 步进控制	4	3 MHz	专用卡, PCIe

优点: 硬件产生脉冲, 精确稳定
缺点: 增加硬件成本
适合: 中低速运动 (< 500 kHz)

3. EtherCAT 脉冲/步进从站

从站内置脉冲产生逻辑, PLC 只需发目标位置:

优点: 与伺服使用方式一致, MC FB 直接用
缺点: 依赖有这种从站的产品线

细分与分辨率

步进电机厂商标的细分 (Microstep) 决定脉冲数与角度的换算:

细分	每步角度	每转脉冲数
1 (全步)	1.8°	200
2	0.9°	400
8	0.225°	1600
16	0.1125°	3200
32	0.056°	6400
64	0.028°	12800
128	0.014°	25600

细分高 = 运动平滑, 但驱动器频率需求高。1.8° 电机常用 16 或 32 细分。

配置参数详解

{
  "pulseOutput": "%QX10.0",
  "directionOutput": "%QX10.1",
  "enableOutput": "%QX10.2",
  "alarmInput": "%IX10.0",
  "limitPositive": "%IX10.1",
  "limitNegative": "%IX10.2",
  "homeSwitch": "%IX10.3",
  "encoder": {
    "channelA": "%IX11.0",
    "channelB": "%IX11.1",
    "channelZ": "%IX11.2"
  },
  "mechanics": {
    "pulsesPerRevolution": 10000,
    "reducerRatio": 10,
    "leadScrewPitch": 5.0,
    "unit": "mm"
  },
  "motion": {
    "maxVelocity": 100000,
    "maxAcceleration": 500000,
    "maxJerk": 10000000,
    "jogVelocity": 5000,
    "homingVelocity1": 2000,
    "homingVelocity2": 500
  }
}

单位转换

配置好机械参数后, PLC 程序直接用工程单位:

// 移动到 250 mm 位置, 速度 50 mm/s
MC_MoveAbsolute(
    Axis := Axis1,
    Position := 250.0,    // mm
    Velocity := 50.0,     // mm/s
    Acceleration := 100,  // mm/s²
    Execute := TRUE
);

底层自动换算为脉冲:

脉冲 = 250 mm × (10000 脉冲/转) × (10 齿轮比) / (5 mm/转) = 5,000,000 脉冲

闭环与开环

开环

只发脉冲, 不读编码器:

成本低
失步不可检测
适合负载稳定的场合

闭环 (伪闭环)

发脉冲 + 读编码器反馈:

能检测失步 (位置偏差超过阈值报警)
PLC 程序可以主动重新定位
但实时性不如真伺服闭环

真闭环 (伺服)

用伺服驱动器 + 伺服电机, 内置位置环:

最高精度和响应
推荐用 EtherCAT 连接 (CSP 模式)

多轴协调

脉冲方式的多轴协调精度约 1 ms (扫描周期级别), 适合:

顺序动作 (A 轴到位后 B 轴运动)
独立轴 (各走各的)

不适合:

插补运动 (两轴严格同步的圆弧)
电子凸轮 / 电子齿轮

这些高级功能需要伺服和 EtherCAT。

点动操作

MC_Jog FB 用于手动点动:

MC_Jog(
    Axis := Axis1,
    JogForward := PositiveButton,
    JogBackward := NegativeButton,
    Velocity := 10.0    (* mm/s *)
);

按下正向按钮电机正转, 松开停止。适合调机/对位。

限位保护

必须配置硬限位 + 软限位:

硬限位 (外部 DI)

正向限位开关 (%IX10.1)
负向限位开关 (%IX10.2)
触发后立即停止, 不允许继续往限位方向移动
反方向可以脱离

软限位

在配置里设:

"softLimits": {
  "positive": 500.0,
  "negative": -10.0
}

PLC 层拒绝超过这些值的指令, 是硬限位之前的保护。

回原点流程

经典流程:

快速反向搜索原点开关 (高速)
碰到原点开关, 反向低速退出
再正向低速搜索原点开关 (精确定位)
找到后, 清零当前位置
(可选) 搜索 Z 相, 以 Z 相为精确零点

每台机器的具体步骤由 MC_Home FB 参数决定。

加减速曲线

梯形加速:

加速段: a = max_acc
匀速段: v = max_vel
减速段: a = -max_acc

S 曲线加速:

加加速 (Jerk) 限制, 曲线有 7 段
启停更平滑, 机械冲击小
但到位时间略长

选择:

大惯量负载: 用 S 曲线
轻负载 + 需快速: 梯形

排错

症状	处理
电机不动	检查 Enable 信号; 驱动器报警复位
反方向转	交换方向信号接线或配置反向
位置偏差越来越大	开环失步, 改用闭环或降低加速度
到位不准	细分数或齿轮比填错
限位触发但电机继续	限位信号取反 (常开 vs 常闭)
高频时电机卡顿	驱动器频率上限, 降低细分或降速

工作原理​

信号类型​

配置​

运动控制​

速度规划​

回原点​

限制​

脉冲输出硬件方案​

1. 高速 DO (软件脉冲)​

2. 专用脉冲模块​

3. EtherCAT 脉冲/步进从站​

细分与分辨率​

配置参数详解​

单位转换​

闭环与开环​

开环​

闭环 (伪闭环)​

真闭环 (伺服)​

多轴协调​

点动操作​

限位保护​

硬限位 (外部 DI)​

软限位​

回原点流程​

加减速曲线​

排错​