PLC + 伺服 + 光栅尺：高精度闭环控制方案（原理 + 选型 + 实操）

PLC + 伺服 + 光栅尺的组合核心是构建 “全闭环位置控制系统” —— 伺服电机的编码器做 “半闭环反馈”，光栅尺直接检测负载（如工作台、丝杆）的实际位移做 “全闭环反馈”，PLC 通过光栅尺的真实位置修正伺服指令，解决机械间隙、丝杆变形、负载打滑等导致的定位误差，适配高精度场景（如数控加工、锂电设备、半导体封装，精度可达 ±0.001mm）。

以下从系统架构、核心选型、接线、程序逻辑、调试优化全流程拆解，以三菱 FX3U + 安川 Σ-7 + 光栅尺为例，适配工业主流场景。

一、核心原理：为什么要加光栅尺？

全闭环核心逻辑：

1. PLC 发送定位指令给伺服（如目标位置 100mm）；

2. 伺服驱动电机运行，同时光栅尺实时采集负载实际位置，反馈给 PLC；

3. PLC 对比 “指令位置” 与 “光栅尺实际位置”，计算偏差后修正伺服指令（如偏差 + 0.05mm，补发 50 个脉冲）；

4. 偏差≤设定阈值（如 0.001mm）时，PLC 停止修正，定位完成。

二、系统核心选型（关键匹配点）

1. 光栅尺选型（按精度 / 接口 / 行程）

2. PLC 选型（核心要求：高速计数 / 脉冲输出）

• 必须支持高速计数器（HSC）：接收光栅尺的高频脉冲（光栅尺脉冲频率通常 100kHz~1MHz）；

• 必须支持高速脉冲输出：控制伺服（频率≥100kHz）；

• 示例：三菱 FX3U（自带 2 路高速脉冲输出，4 路高速计数器）、西门子 S7-1200（配工艺模块）、台达 DVP-EH3。

3. 伺服选型

• 无需选 “内置全闭环功能” 的高端伺服（PLC 主导闭环计算），普通伺服即可（如安川 Σ-7、三菱 MR-J4）；

• 功率匹配负载：如工作台重量 50kg，选 1.5kW 伺服（需计算惯量匹配）。

三、硬件接线（三菱 FX3U+TTL 差分光栅尺 + 安川 Σ-7）

1. 光栅尺→PLC（高速计数器接线）

光栅尺 TTL 差分信号需先通过 “差分转单端模块”（如 LVDS 转 TTL）适配 PLC，或直接接 PLC 差分高速计数端子：

⚠️ 关键：光栅尺信号线用双绞屏蔽线，屏蔽层单端接地（PLC 端），远离变频器 / 强电线路，减少干扰。

2. PLC→伺服（脉冲指令接线）

3. 伺服→PLC（状态反馈接线）

四、核心程序逻辑（三菱 GX Works2）

核心分为 3 个模块：光栅尺位置采集、位置偏差计算、伺服指令修正。

1. 第一步：光栅尺位置采集（高速计数器）

FX3U 用 HSC0（X0/X1）采集光栅尺脉冲，换算成实际位移：

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// 步骤1：初始化高速计数器（HSC0，模式0：单相双计数，A/B相）
LD     M8002          // 首次上电
MOVK   H0080, D8140   // HSC0模式设置：A/B相正交计数，双相输入
SET    M8140          // 启用HSC0高速计数器
RST    C235           // 清零高速计数器C235（对应HSC0）

// 步骤2：光栅尺脉冲→实际位移换算（关键：脉冲当量）
// 示例：光栅尺分辨率0.001mm/脉冲 → 1脉冲=0.001mm
LD     M8000          // 常ON
MOV    C235, D100     // 光栅尺脉冲数存入D100
MUL    D100, K0.001, D101 // D101=实际位移（mm），如C235=10000→D101=10.000mm

2. 第二步：位置偏差计算（指令位置 VS 实际位置）

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// D200：PLC设定的目标位置（如100.000mm）
// D101：光栅尺实际位置
// D300：位置偏差（D300=D200-D101）

LD     M8000
SUB    D200, D101, D300  // 计算偏差
ABS    D300, D301        // 取偏差绝对值（D301≥0）

3. 第三步：伺服指令修正（闭环控制核心）

通过 PLC 的脉冲输出指令（PLSY）补发 / 减少脉冲，修正偏差：

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// 偏差阈值：D400=0.001mm（1μm），偏差>D400时修正
// D500：伺服脉冲当量（如1脉冲=0.01mm，即100脉冲=1mm）

LD     M8000
CMP    D301, D400, M0   // 对比偏差绝对值与阈值
LD     M0               // M0=ON → 偏差>阈值，需要修正
MOV    D300, D501       // 偏差值存入D501
MUL    D501, D500, D502 // 偏差→需补发/减少的脉冲数（如偏差+0.005mm→50脉冲）
PLSY   K10000, D502, Y0 // 以10kHz频率，补发D502个脉冲到Y0（伺服脉冲端）

LD     M1               // M1=ON → 偏差≤阈值，定位完成
RST    Y0               // 停止脉冲输出
SET    Y10              // 定位完成指示灯

4. 完整逻辑补充（防呆 / 报警）

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// 1. 伺服报警联动
LD     X10              // 伺服ALM报警
RST    Y0               // 立即停止脉冲输出
SET    Y20              // 报警指示灯

// 2. 超程保护（光栅尺位移≥最大行程，停机）
LD     M8000
CMP    D101, K500, M10  // 最大行程500mm
LD     M10              // 位移>500mm
RST    Y0
SET    Y21              // 超程报警

五、调试优化（解决常见问题）

1. 光栅尺信号干扰（最常见）

• 现象：光栅尺实际位置跳动（如 D101 在 10.000~10.005mm 波动）；

• 解决：

1. 光栅尺屏蔽线单端接地（仅 PLC 端接地，远离强电）；

2. 光栅尺信号线与伺服电源线垂直交叉，间距≥30cm；

3. 给光栅尺供电加装 5V 稳压模块，减少纹波。

2. 闭环震荡（电机来回抖动）

• 现象：定位完成后，电机小幅正反转，光栅尺位置波动；

• 原因：修正脉冲频率过高、偏差阈值过小；

• 解决：

1. 降低修正脉冲频率（如从 10kHz 改为 5kHz）；

2. 增大偏差阈值（如从 0.001mm 改为 0.002mm）；

3. 增加修正延时（如每隔 10ms 修正一次，而非实时修正）。

3. 定位偏差持续存在

• 现象：偏差始终≥阈值，PLC 持续补发脉冲；

• 排查：

1. 光栅尺安装偏差（如与导轨不平行），重新校准安装；

2. 伺服电子齿轮比设置错误，重新计算（参考安川 / 三菱电子齿轮比设置）；

3. 机械间隙过大，添加间隙补偿（如在 PLC 中写入补偿值，D302=0.05mm，偏差计算时 + D302）。

4. 高速计数丢脉冲

• 现象：光栅尺实际位移≠脉冲数换算值（如移动 10mm，仅采集到 9900 脉冲）；

• 解决：

1. 确认 PLC 高速计数器频率≥光栅尺输出频率（如光栅尺 1MHz，选 FX3U-4HSX 模块，支持 2MHz 计数）；

2. 检查接线是否虚接，更换屏蔽线。

六、不同 PLC / 伺服的适配调整

1. 西门子 S7-1200/1500

• 光栅尺采集：用工艺模块（如 TM Count 2x24V）接收光栅尺信号，通过 “位置控制块” 读取实际位置；

• 伺服控制：用 MC_MoveAbsolute 指令，通过 “工艺对象” 做闭环修正；

• 核心差异：通过 TIA Portal 的 “轴工艺对象” 直接配置全闭环，无需手动计算偏差，更可视化。

2. 台达 DVP-EH3 + 台达 ASDA-B2

• 光栅尺采集：EH3 自带高速计数器（最高 200kHz），接 X0/X1；

• 伺服控制：用 DDRVI 指令发送脉冲，偏差修正逻辑与三菱一致；

• 核心差异：台达 PLC 的浮点数运算需用 FLT 指令转换，注意数据类型匹配。

七、工业场景优化建议

1. 光栅尺校准：定期用激光干涉仪校准光栅尺，修正温度漂移（光栅尺精度受温度影响，±1℃变化可能导致 0.001mm/m 误差）；

2. 多段定位优化：复杂轨迹（如直线插补）时，PLC 分小段发送指令，每段都做闭环修正，避免偏差累积；

3. 数据记录：将每次定位的指令位置、实际位置、偏差存入 PLC 寄存器（如 D1000~D1999），方便追溯精度问题；

4. 冗余设计：关键设备可增加双光栅尺（互为备份），避免光栅尺故障导致停机。

总结

PLC + 伺服 + 光栅尺的核心是 “用光栅尺的真实负载位置修正伺服指令”，落地关键是：

1. 光栅尺接口与 PLC 高速计数器匹配（抗干扰、高频）；

2. 脉冲当量换算准确（光栅尺→mm、伺服→mm）；

3. 闭环修正逻辑需 “慢修正、稳收敛”（避免震荡）；

4. 机械安装校准（光栅尺与导轨平行、无间隙）。