陸幸駿， 孔田巍

(中船重工海博威(江蘇)科技發(fā)展有限公司，江蘇 揚州　225000)

0　引　言

步進電機作為傳統(tǒng)執(zhí)行元件，結(jié)構(gòu)簡單，價格較低，應用極為廣泛。步進電機可以將電脈沖轉(zhuǎn)換成離散的機械運動，因此，計算機是其理想的控制源。隨著科學技術(shù)的發(fā)展，軟硬件結(jié)合的控制方式成為了主流。單片機和PLC都可以產(chǎn)生脈沖，驅(qū)動電機運行。但是，與單片機相比，PLC使用方便，可靠性較高，抗干擾能力較強[1]。所以，采用PLC控制步進電機，建立運動控制系統(tǒng)，系統(tǒng)更加穩(wěn)定。

1　系統(tǒng)方案設計

圖1　系統(tǒng)總體設計框圖

本系統(tǒng)主要由PLC、觸摸屏、電機驅(qū)動器、步進電機、編碼器、限位開關(guān)和急停開關(guān)組成。操作者通過觸摸屏輸入軌跡參數(shù)，觸摸屏將相關(guān)參數(shù)發(fā)送給PLC內(nèi)部的數(shù)據(jù)寄存器，PLC根據(jù)內(nèi)部梯形圖和應用指令控制相應步進電機動作，步進電機再帶動相應的電機軸動作，同時，PLC高速計數(shù)器采集與步進電機末端相連接的編碼器的光電碼盤發(fā)出的反饋信號，從而完成系統(tǒng)的反饋環(huán)節(jié)。此外，限位開關(guān)用于限定系統(tǒng)的極限位置，急停開關(guān)用于發(fā)生緊急狀況時，立刻停止機器，防止損失擴大。系統(tǒng)總體設計框圖如圖1所示。

2　系統(tǒng)硬件設計

隨著PLC的不斷發(fā)展，PLC的種類和數(shù)量也越來越多。各種型號的PLC的結(jié)構(gòu)形式、編程方式和指令系統(tǒng)都各有不同。在滿足控制要求的前提下，并且從基本性能、特殊功能以及通信聯(lián)網(wǎng)等方面考慮，選擇了三菱公司生產(chǎn)的FX3U系列PLC，該PLC是第三代微型可編程控制器，內(nèi)置獨立3軸100 kHz定位功能，完全能滿足系統(tǒng)要求[2]。

根據(jù)系統(tǒng)要求和三菱PLC的基本性能，對系統(tǒng)I/O口進行了分配，系統(tǒng)I/O口分配情況如表1所示。

表1　系統(tǒng)I/O口分配表

根據(jù)系統(tǒng)要求和系統(tǒng)I/O口分配，設計了系統(tǒng)硬件電路圖，如圖2所示。其中，PLC主要功能是按照一定的算法實現(xiàn)輸入/輸出變換，再以物理方式實現(xiàn)這個變換。PLC的輸出端口Y0、Y1和Y2作為脈沖發(fā)生器，產(chǎn)生一定頻率的脈沖信號，并由環(huán)分電路轉(zhuǎn)換為電機的通斷電信號，用該通斷電信號來控制驅(qū)動電路，再由驅(qū)動電路產(chǎn)生功率放大信號來控制步進電機[3]。

圖2　系統(tǒng)硬件電路圖

圖3　梯形脈沖輸出

本系統(tǒng)采用低速啟動，再慢慢加速到高速的方式，實現(xiàn)步進電機的高速運行。停止時，也要從高速慢慢減速到低速，最后停止運行。根據(jù)這種升降速規(guī)律，步進電機采用變速方式運行[4]。本系統(tǒng)采用如圖3所示的梯形脈沖輸出方式控制步進電機運行，步進電機從初始速度νs，經(jīng)時間t1加速到工作速度νe，輸出一定脈沖后，經(jīng)時間t2減速到初始速度，同時達到脈沖總數(shù)后，脈沖輸出停止，步進電機停止運行。

本系統(tǒng)采用三菱PLC的特殊數(shù)據(jù)寄存器存儲步進電機運行參數(shù)，相關(guān)特殊寄存器如表2所示。

表2　步進電機參數(shù)存儲表

高速計數(shù)器是32位停電保持型加/減計數(shù)器，在FX系列PLC中，共有21個高速計數(shù)器(C235～C255)，它們共用著PLC的8個高速計數(shù)器輸入端(X000～X007)。高速計數(shù)器有3種類型：1相1輸入型、1相2輸入型和2相A-B輸入型。本系統(tǒng)采用1相1輸入型高速計數(shù)器C235、C236和C237對編碼器輸出脈沖進行計數(shù)，其特定輸入端子號與地址編號的分配如表3所示。表中U表示加計數(shù)輸入，D表示減計數(shù)輸入，R表示復位輸入，S表示啟動輸入[5]。

表3　高速計數(shù)器的特定端子號與地址編號的分配表

3　系統(tǒng)軟件設計

如果使用硬件來實現(xiàn)插補功能，我們稱之為插補器；如果使用軟件來實現(xiàn)插補功能，我們稱之為插補算法。PLC本身不具備插補功能，因此，必須設計插補算法，再通過編程的方法實現(xiàn)插補功能。

圖4　兩軸同動原理圖

傳統(tǒng)的逐點比較法雖然算法簡單，但是其不能夠?qū)崿F(xiàn)兩軸同動，而數(shù)字積分法雖然也作了一定程度的改進，但是其算法兩軸的速度比是恒定的，算法不易掌握，且不能夠保證實現(xiàn)兩軸連續(xù)性同動[6-7]。針對這些插補算法的不足，本文提出了另外一種插補算法——兩軸同動法，它的原理是每次向X和Y兩個坐標軸分別輸出進給脈沖和進給脈沖頻率，在同一時間內(nèi)，X和Y兩個坐標軸各自獨立地完成設定的進給量，根據(jù)直線合成的原理，兩軸同動的最終結(jié)果是一條直線，其原理如圖4所示。

如圖5所示，兩軸同動中，vy與vx成正比例關(guān)系，即vy=kvx，本系統(tǒng)采用步進電機作為執(zhí)行機構(gòu)，步進電機的速度與PLC輸出脈沖頻率成正比，脈沖頻率必須為整數(shù)，因此就會出現(xiàn)兩種情況。

vy=kvx為整數(shù)時，這是兩軸同動的理想情況，兩軸各自完成設定進給量，合成的直線與目標直線完全吻合，這種情況下，就不需要改變進給脈沖頻率。

vy=kvx不為整數(shù)時，如果依然根據(jù)計算出的速度輸出進給脈沖頻率，就會產(chǎn)生偏差，與目標直線產(chǎn)生偏離，這種情況下，就需要改變進給脈沖頻率。

圖5　兩軸同動第二種情況

當F(x)≥d時，則點K落在區(qū)域Ⅰ，此時X軸進給脈沖頻率不變，Y軸進給脈沖頻率減一個脈沖當量d；

當-d

當F(x)≤-d時，則點K落在區(qū)域Ⅲ，此時X軸進給脈沖頻率不變，Y軸進給脈沖頻率加一個脈沖當量d。

因為vy=kvx，本系統(tǒng)采用步進電機作為執(zhí)行機構(gòu)，其轉(zhuǎn)速必須在一定范圍內(nèi)，因此必須按照k值確定基準軸。

當直線斜率絕對值小于1時，選取X軸作為基準軸，此時Y軸速度小于X軸速度；當直線斜率絕對值大于或等于1時，選取Y軸作為基準軸，此時Y軸速度大于X軸速度；當直線垂直或者水平時，不需要選取基準軸。

4　觸摸屏界面設計

圖6　觸摸屏界面

本系統(tǒng)采用三菱觸摸屏作為人機交互界面，觸摸屏界面如圖6所示。左半部分用來設定三軸的初始參數(shù)和起終點坐標，包括基底速度設定、最高速度設定、爬行速度設定、加速時間設定、減速時間設定、起點坐標和終點坐標。右半部分是操作按鈕，這些按鈕用來實現(xiàn)不同的操作。操作者設定完初始參數(shù)后，輸入起點坐標和終點坐標，點擊“開始”按鈕，控制電機運行至指定位置。此外，通過點擊“X+”、“X-”、“Y+”、“Y-”、“Z+”和“Z-”按鈕，電機也可以實現(xiàn)單軸點動運行。

5　結(jié)束語

本系統(tǒng)采用可編程控制器PLC為控制核心，可靠性較高，穩(wěn)定性較好；設計的插補算法能夠?qū)崿F(xiàn)兩軸連續(xù)性同動，精度較高；選用觸摸屏作為操作界面，人機交互性能較好。

參考文獻：

[1] 陳艷.可編程控制器技術(shù)與應用[M].北京:清華大學出版社,2013.

[2] 吳紅霞,劉洋.電氣控制及PLC原理與應用[M].北京:冶金工業(yè)出版社,2013.

[3] 常斗南.PLC運動控制實例與解析(松下)[M]. 北京:機械工業(yè)出版社,2010.

[4] 豈興明,茍曉衛(wèi).PLC與步進伺服快速入門與實踐[M].北京:人民郵電出版社,2011.

[5] 韓建,朱錦洪.PLC控制步進電機在自動堆焊中的應用[J].電焊機,2006,36(3):66-69.

[6] 邵紅艷,高毅.一種PLC步進電機控制系統(tǒng)設計[J].機械與電子,2011,29(29):550-552.

[7] 陳嬋娟,薛愷.基于PLC的步進電動機單雙軸運動控制的實現(xiàn)[J].機械設計與制造,2009,47(3):178-179.