基于PLC的运动控制系统设计

2017-04-03陆幸骏孔田巍

电气自动化 2017年6期

陆幸骏，孔田巍

(中船重工海博威(江苏)科技发展有限公司，江苏扬州　225000)

0　引　言

步进电机作为传统执行元件，结构简单，价格较低，应用极为广泛。步进电机可以将电脉冲转换成离散的机械运动，因此，计算机是其理想的控制源。随着科学技术的发展，软硬件结合的控制方式成为了主流。单片机和PLC都可以产生脉冲，驱动电机运行。但是，与单片机相比，PLC使用方便，可靠性较高，抗干扰能力较强[1]。所以，采用PLC控制步进电机，建立运动控制系统，系统更加稳定。

1　系统方案设计

图1　系统总体设计框图

本系统主要由PLC、触摸屏、电机驱动器、步进电机、编码器、限位开关和急停开关组成。操作者通过触摸屏输入轨迹参数，触摸屏将相关参数发送给PLC内部的数据寄存器，PLC根据内部梯形图和应用指令控制相应步进电机动作，步进电机再带动相应的电机轴动作，同时，PLC高速计数器采集与步进电机末端相连接的编码器的光电码盘发出的反馈信号，从而完成系统的反馈环节。此外，限位开关用于限定系统的极限位置，急停开关用于发生紧急状况时，立刻停止机器，防止损失扩大。系统总体设计框图如图1所示。

2　系统硬件设计

随着PLC的不断发展，PLC的种类和数量也越来越多。各种型号的PLC的结构形式、编程方式和指令系统都各有不同。在满足控制要求的前提下，并且从基本性能、特殊功能以及通信联网等方面考虑，选择了三菱公司生产的FX3U系列PLC，该PLC是第三代微型可编程控制器，内置独立3轴100 kHz定位功能，完全能满足系统要求[2]。

根据系统要求和三菱PLC的基本性能，对系统I/O口进行了分配，系统I/O口分配情况如表1所示。

表1　系统I/O口分配表

根据系统要求和系统I/O口分配，设计了系统硬件电路图，如图2所示。其中，PLC主要功能是按照一定的算法实现输入/输出变换，再以物理方式实现这个变换。PLC的输出端口Y0、Y1和Y2作为脉冲发生器，产生一定频率的脉冲信号，并由环分电路转换为电机的通断电信号，用该通断电信号来控制驱动电路，再由驱动电路产生功率放大信号来控制步进电机[3]。

图2　系统硬件电路图

图3　梯形脉冲输出

本系统采用低速启动，再慢慢加速到高速的方式，实现步进电机的高速运行。停止时，也要从高速慢慢减速到低速，最后停止运行。根据这种升降速规律，步进电机采用变速方式运行[4]。本系统采用如图3所示的梯形脉冲输出方式控制步进电机运行，步进电机从初始速度νs，经时间t1加速到工作速度νe，输出一定脉冲后，经时间t2减速到初始速度，同时达到脉冲总数后，脉冲输出停止，步进电机停止运行。

本系统采用三菱PLC的特殊数据寄存器存储步进电机运行参数，相关特殊寄存器如表2所示。

表2　步进电机参数存储表

高速计数器是32位停电保持型加/减计数器，在FX系列PLC中，共有21个高速计数器(C235～C255)，它们共用着PLC的8个高速计数器输入端(X000～X007)。高速计数器有3种类型：1相1输入型、1相2输入型和2相A-B输入型。本系统采用1相1输入型高速计数器C235、C236和C237对编码器输出脉冲进行计数，其特定输入端子号与地址编号的分配如表3所示。表中U表示加计数输入，D表示减计数输入，R表示复位输入，S表示启动输入[5]。

表3　高速计数器的特定端子号与地址编号的分配表

3　系统软件设计

如果使用硬件来实现插补功能，我们称之为插补器；如果使用软件来实现插补功能，我们称之为插补算法。PLC本身不具备插补功能，因此，必须设计插补算法，再通过编程的方法实现插补功能。

图4　两轴同动原理图

传统的逐点比较法虽然算法简单，但是其不能够实现两轴同动，而数字积分法虽然也作了一定程度的改进，但是其算法两轴的速度比是恒定的，算法不易掌握，且不能够保证实现两轴连续性同动[6-7]。针对这些插补算法的不足，本文提出了另外一种插补算法——两轴同动法，它的原理是每次向X和Y两个坐标轴分别输出进给脉冲和进给脉冲频率，在同一时间内，X和Y两个坐标轴各自独立地完成设定的进给量，根据直线合成的原理，两轴同动的最终结果是一条直线，其原理如图4所示。

如图5所示，两轴同动中，vy与vx成正比例关系，即vy=kvx，本系统采用步进电机作为执行机构，步进电机的速度与PLC输出脉冲频率成正比，脉冲频率必须为整数，因此就会出现两种情况。

vy=kvx为整数时，这是两轴同动的理想情况，两轴各自完成设定进给量，合成的直线与目标直线完全吻合，这种情况下，就不需要改变进给脉冲频率。

vy=kvx不为整数时，如果依然根据计算出的速度输出进给脉冲频率，就会产生偏差，与目标直线产生偏离，这种情况下，就需要改变进给脉冲频率。

图5　两轴同动第二种情况

当F(x)≥d时，则点K落在区域Ⅰ，此时X轴进给脉冲频率不变，Y轴进给脉冲频率减一个脉冲当量d；

当-d

当F(x)≤-d时，则点K落在区域Ⅲ，此时X轴进给脉冲频率不变，Y轴进给脉冲频率加一个脉冲当量d。

因为vy=kvx，本系统采用步进电机作为执行机构，其转速必须在一定范围内，因此必须按照k值确定基准轴。

当直线斜率绝对值小于1时，选取X轴作为基准轴，此时Y轴速度小于X轴速度；当直线斜率绝对值大于或等于1时，选取Y轴作为基准轴，此时Y轴速度大于X轴速度；当直线垂直或者水平时，不需要选取基准轴。

4　触摸屏界面设计

图6　触摸屏界面

本系统采用三菱触摸屏作为人机交互界面，触摸屏界面如图6所示。左半部分用来设定三轴的初始参数和起终点坐标，包括基底速度设定、最高速度设定、爬行速度设定、加速时间设定、减速时间设定、起点坐标和终点坐标。右半部分是操作按钮，这些按钮用来实现不同的操作。操作者设定完初始参数后，输入起点坐标和终点坐标，点击“开始”按钮，控制电机运行至指定位置。此外，通过点击“X+”、“X-”、“Y+”、“Y-”、“Z+”和“Z-”按钮，电机也可以实现单轴点动运行。