陸幸駿，包曄峰，楊 可

（河海大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，江蘇 常州 213022）

0 前言

步進(jìn)電機(jī)是一種將電脈沖轉(zhuǎn)化為角位移的執(zhí)行機(jī)構(gòu)。步進(jìn)電機(jī)開(kāi)環(huán)控制結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，可靠性高，價(jià)格低。但當(dāng)起動(dòng)頻率太高或者負(fù)載太大，步進(jìn)電機(jī)極易失步。而步進(jìn)電機(jī)閉環(huán)控制可以克服以上缺點(diǎn)，提高系統(tǒng)精度和穩(wěn)定性。在閉環(huán)控制系統(tǒng)中，采用增量式編碼器作為反饋裝置。而PLC作為一種工業(yè)計(jì)算機(jī)，具有邏輯控制、步進(jìn)控制、數(shù)據(jù)處理、存儲(chǔ)功能、自診斷功能、通信聯(lián)網(wǎng)等功能，而且具有較高的可靠性、較強(qiáng)的抗干擾性、較好的通用性等優(yōu)點(diǎn)。所以，使用PLC控制步進(jìn)電機(jī)，構(gòu)建兩軸運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)，具有重要意義。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

該運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)由觸摸屏、PLC、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器、步進(jìn)電機(jī)、限位開(kāi)關(guān)、急停開(kāi)關(guān)、編碼器等組成。操作者通過(guò)觸摸屏端操作，向PLC發(fā)出控制指令，PLC根據(jù)控制指令和內(nèi)部梯形圖控制相應(yīng)步進(jìn)電機(jī)動(dòng)作，步進(jìn)電機(jī)將帶動(dòng)相應(yīng)的進(jìn)給軸動(dòng)作，同時(shí)，PLC將采集與步進(jìn)電機(jī)相連的編碼器產(chǎn)生的反饋信號(hào)，并將反饋信號(hào)返回給觸摸屏，以完成整個(gè)系統(tǒng)的反饋環(huán)節(jié)。此外，外部限位開(kāi)關(guān)用于限定運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)的極限位置，急停開(kāi)關(guān)用于發(fā)生突發(fā)狀況時(shí)，立即停止機(jī)器，防止傷害或者損失擴(kuò)大。系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)框圖

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

該運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)采用“脈沖+方向”方式控制步進(jìn)電機(jī)，即PLC輸出高速脈沖和方向信號(hào)，完成對(duì)步進(jìn)電機(jī)的控制。同時(shí)，PLC輸入端的高速計(jì)數(shù)口對(duì)編碼器信號(hào)進(jìn)行計(jì)數(shù)。此外，外部限位開(kāi)關(guān)、急停開(kāi)關(guān)、功能按鈕也需分配PLC相應(yīng)的輸入端口。因此，選擇了三菱FX3U-64MT，該P(yáng)LC是第三代微型可編程控制器，內(nèi)置獨(dú)立3軸100kHz定位功能，具有高速計(jì)數(shù)功能，完全滿足系統(tǒng)要求。PLC端口分配如表1所示。

3 系統(tǒng)控制方案設(shè)計(jì)

該運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)主要解決兩方面的問(wèn)題：一是兩軸運(yùn)動(dòng)的插補(bǔ)算法問(wèn)題，因?yàn)镻LC本身不具有插補(bǔ)計(jì)算功能，因此需要設(shè)計(jì)合適的插補(bǔ)算法，通過(guò)編程方法來(lái)實(shí)現(xiàn)插補(bǔ)；二是區(qū)分單軸運(yùn)動(dòng)和兩軸運(yùn)動(dòng)，單軸運(yùn)動(dòng)時(shí)，判斷是哪根軸運(yùn)動(dòng)以及怎樣運(yùn)動(dòng)，兩軸運(yùn)動(dòng)時(shí)，兩根軸是怎樣運(yùn)動(dòng)。

傳統(tǒng)的逐點(diǎn)比較法盡管算法簡(jiǎn)單，但是不能實(shí)現(xiàn)兩軸同動(dòng)；數(shù)字積分法雖然作了一定的改進(jìn)，但是該算法兩軸速度比恒定，算法不易掌握，并且不能保證連續(xù)實(shí)現(xiàn)兩軸同動(dòng)。針對(duì)以上插補(bǔ)算法的不足，提出了另一種插補(bǔ)算法：兩軸同動(dòng)法，其原理是每次向兩個(gè)坐標(biāo)軸分別輸出各自的進(jìn)給脈沖，在同一時(shí)間內(nèi)，兩個(gè)坐標(biāo)軸分別獨(dú)立地完成規(guī)定的進(jìn)給量，根據(jù)直線合成原理，兩軸同動(dòng)的結(jié)果是得到一條直線，原理如圖2所示。

表1 PLC端口分配表

圖2 兩軸同動(dòng)原理圖

三菱PLC自帶梯形脈沖輸出，過(guò)程如圖3所示，從初始速度vs，經(jīng)時(shí)間t1加速到工作速度ve，輸出一定脈沖后，經(jīng)時(shí)間t2減速到初始速度，同時(shí)達(dá)到脈沖總數(shù)后，輸出停止。

圖3 梯形脈沖輸出

假設(shè)直線AB位于第一象限，A點(diǎn)坐標(biāo)為（Xa，Ya），B 點(diǎn)坐標(biāo)為（Xb，Yb），X 軸進(jìn)給距離為 Lx，Y 軸進(jìn)給距離為L(zhǎng)y，則在兩軸同動(dòng)情況下，各分量如表2所示。

表2 項(xiàng)目分量表

由于步進(jìn)電機(jī)的輸出位移量與輸入脈沖數(shù)成正比，其速度與單位時(shí)間內(nèi)輸入脈沖數(shù)（即脈沖頻率）成正比，此時(shí)，PLC只需向X軸和Y軸步進(jìn)電機(jī)同時(shí)輸出各自脈沖總數(shù)和脈沖頻率，同時(shí)，輸出步進(jìn)電機(jī)方向控制信號(hào)，就可以完成直線運(yùn)動(dòng)軌跡。

兩軸運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)情況主要有2種，即單軸運(yùn)動(dòng)和兩軸運(yùn)動(dòng)。該系統(tǒng)采用如下指令來(lái)實(shí)現(xiàn)單軸運(yùn)動(dòng)或兩軸運(yùn)動(dòng)。

LDX023

MOVD0K2Y004

LDY010

DDRVAD1D2Y000Y004

LDY011

DDRVAD3D4Y001Y005

LDM8000

DHSCRD1C235Y010

DHSCRD3C236Y011

當(dāng)按下啟動(dòng)按鈕后，PLC執(zhí)行內(nèi)部梯形圖程序，用D0的每個(gè)位來(lái)控制Y004到Y(jié)013輸出口的動(dòng)作。其中選擇Y004作為X軸電機(jī)方向控制信號(hào)，Y010作為判斷X軸電機(jī)是否運(yùn)行的條件，即當(dāng)Y010為高電平時(shí)，X軸電機(jī)動(dòng)作，同時(shí)選擇Y005作為Y軸電機(jī)方向控制信號(hào)，Y011作為判斷Y軸電機(jī)是否運(yùn)行的條件，即當(dāng)Y011為高電平時(shí)，Y軸電機(jī)動(dòng)作。電機(jī)狀態(tài)控制表如表3所示。

當(dāng)PLC高速計(jì)數(shù)口對(duì)編碼器的計(jì)數(shù)值與預(yù)設(shè)值相等時(shí)，Y010或者Y011將會(huì)被復(fù)位，電機(jī)停止運(yùn)行。

4 觸摸屏界面設(shè)計(jì)

表3 電機(jī)控制狀態(tài)表

該系統(tǒng)采用三菱GS2107觸摸屏作為操作面板，操作者通過(guò)觸摸屏端操作，實(shí)現(xiàn)不同的控制功能。手動(dòng)模式下，操作者可以進(jìn)行X軸點(diǎn)動(dòng)、Y軸點(diǎn)動(dòng)操作。自動(dòng)模式下，操作者通過(guò)輸入起點(diǎn)坐標(biāo)和終點(diǎn)坐標(biāo)，并選擇電機(jī)的8種工作模式，按下啟動(dòng)按鈕，PLC會(huì)根據(jù)內(nèi)部梯形圖，控制電機(jī)運(yùn)行到指定位置。此外，PLC高速計(jì)數(shù)口對(duì)編碼器進(jìn)行計(jì)數(shù)，數(shù)值轉(zhuǎn)化為坐標(biāo)，實(shí)時(shí)顯示在觸摸屏上。觸摸屏界面設(shè)計(jì)如圖4所示。

圖4 觸摸屏界面設(shè)計(jì)圖

5 結(jié)論

（1）該運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)以PLC為核心，步進(jìn)電機(jī)為執(zhí)行機(jī)構(gòu)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，動(dòng)態(tài)性能良好；

（2）設(shè)計(jì)的插補(bǔ)算法和應(yīng)用指令，可以實(shí)現(xiàn)單軸運(yùn)動(dòng)或兩軸運(yùn)動(dòng)；

（3）采用觸摸屏作為人機(jī)交互界面，操作簡(jiǎn)單，易于掌握。

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