基于嵌入式PC控制器的步進(jìn)電機(jī)群控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

　　德國(guó)倍福(Beckhoff)公司作為專業(yè)的自動(dòng)化設(shè)計(jì)和制造公司，生產(chǎn)一種基于工業(yè)PC機(jī)和PLC之間的嵌入式PC機(jī)。主要是針對(duì)需要帶有工業(yè)PC機(jī)特性和計(jì)算機(jī)的功能但又不打算購(gòu)買整臺(tái)PC機(jī)的客戶而設(shè)計(jì)的。它很好地結(jié)合了工業(yè)PC機(jī)和硬件PLC的功能，并具有強(qiáng)大的運(yùn)動(dòng)控制功能和完善的人機(jī)界面（HMI），是一種導(dǎo)軌式的三位一體的多功能的控制器。由于它采用導(dǎo)軌式安裝、模塊化設(shè)計(jì)、多種現(xiàn)場(chǎng)總線通信方式以及多種功能模塊的搭配，使其在大量電機(jī)的控制系統(tǒng)應(yīng)用中，有著PLC無(wú)法具備的許多優(yōu)勢(shì)，如連接線路少、占用空間小等，再加上電機(jī)專用控制模塊和其具備的運(yùn)動(dòng)控制功能，使得整個(gè)控制系統(tǒng)構(gòu)成簡(jiǎn)單，運(yùn)行可靠、高效[1]。

　　本文在仔細(xì)研究Beckhoff嵌入式PC機(jī)及相關(guān)模塊性能的基礎(chǔ)上，通過(guò)大量的實(shí)驗(yàn)，提出并驗(yàn)證了步進(jìn)電機(jī)群控的設(shè)計(jì)方案。

1 控制系統(tǒng)硬件組成

1.1 控制系統(tǒng)概述

　　本控制系統(tǒng)作為一個(gè)分系統(tǒng)，受主控系統(tǒng)的指令調(diào)度，其控制對(duì)象為大量的步進(jìn)電機(jī)?？刂埔笤谥付〞r(shí)間段內(nèi)驅(qū)動(dòng)若干電機(jī)將其不同的負(fù)載設(shè)備可靠地送到指定位置，完成不同的任務(wù)。由于整個(gè)系統(tǒng)龐大，電機(jī)數(shù)量眾多且分散，數(shù)據(jù)傳輸量巨大，要求該控制系統(tǒng)與主控系統(tǒng)之間采用工業(yè)以太網(wǎng)分層設(shè)計(jì)，使其具有極高的可靠性、開(kāi)放性，并具有運(yùn)行效率高維護(hù)方便的特點(diǎn)。

1.2 控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?/STRONG>

　　整個(gè)控制系統(tǒng)分為6組，每組分為幾個(gè)電機(jī)數(shù)目不等的控制區(qū)域，圖1表明其中某一控制區(qū)域的網(wǎng)絡(luò)控制拓?fù)??？刂葡到y(tǒng)采用FCS（Fieldbus Control System）控制架構(gòu)設(shè)計(jì)，控制器CX1020向下通過(guò)電機(jī)控制模塊KL2531/KL2541實(shí)現(xiàn)對(duì)底層電機(jī)的控制，向上則通過(guò)自身所帶的以太網(wǎng)模塊以及以太網(wǎng)交換機(jī)接入控制系統(tǒng)，現(xiàn)場(chǎng)控制中心通過(guò)控制服務(wù)器實(shí)現(xiàn)對(duì)被控設(shè)備的操作控制，完成系統(tǒng)內(nèi)設(shè)備調(diào)度管理,通過(guò)網(wǎng)絡(luò)按照控制流程對(duì)設(shè)備進(jìn)行控制。

1.2.1 系統(tǒng)硬件配置

　　系統(tǒng)硬件配置如下：

　　(1)CPU(CX1020):內(nèi)部采用時(shí)鐘頻率為1 GHz的奔騰MMX處理器,內(nèi)存可以擴(kuò)展到4 GB閃存/1 024 MB RAM，最多可實(shí)現(xiàn)255個(gè)總線端子連接到CX1020控制器上，再加上Microsoft Windows CE.NET或Microsoft嵌入式Windows XP操作系統(tǒng)便成為功能強(qiáng)大的PLC和運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)，通過(guò)網(wǎng)線插在CPU模塊的以太網(wǎng)接口上，可實(shí)現(xiàn)與主控制系統(tǒng)的連接。也可通過(guò)以太網(wǎng)和計(jì)算機(jī)連接實(shí)現(xiàn)程序的下載和硬件組態(tài)。
　　(2)電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊(KL2531/KL2541)： KL2531最大驅(qū)動(dòng)電流為1.5 A，KL2541最大驅(qū)動(dòng)電流為5 A。兩者都通過(guò)背板總線K-Bus、EtherCAT網(wǎng)絡(luò)接口模塊與控制器相連接?？赏ㄟ^(guò)程序設(shè)定實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)的不同細(xì)分，通過(guò)K-Bus總線通訊,其配置、診斷和維護(hù)非常方便,包括檢測(cè)軟件配置錯(cuò)誤、模塊溫度報(bào)警、欠壓及電機(jī)A、B相斷路、短路等。實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)運(yùn)行過(guò)程中的故障診斷?？商岣呦到y(tǒng)運(yùn)行的可靠性以及錯(cuò)誤排查的方便性。
　　(3)數(shù)字量輸入模塊(BL1002/BL1408)：BL1002和BL1408分別為2路和8路的數(shù)字量輸入模塊，主要用來(lái)配合光電開(kāi)關(guān)或微動(dòng)開(kāi)關(guān)信號(hào)的檢測(cè)，判斷設(shè)備是否已送入指定位置。
　　(4)終端端子模塊(BK1009)：放置在每路模塊的終端，主要起電阻匹配的作用。
　　(5)EtherCAT網(wǎng)絡(luò)模塊(BK1120/EK1110)：符合IEC規(guī)范——IEC/PAS 62407的超高速工業(yè)以太網(wǎng)模塊，主要用于控制器的擴(kuò)展連接。
　　(6)繼電器模塊(KL2622)：主要用于控制系統(tǒng)的通斷電控制,使得系統(tǒng)在工作時(shí)加電，停止時(shí)斷電，最大限度地減小系統(tǒng)的功率損耗。
　　(7)電源模塊(CX1100)：為CPU及其他模塊提供24 V工作電源。

1.2.2 方案設(shè)計(jì)

　　采用1臺(tái)CX1020 CPU帶若干個(gè)電機(jī)控制模塊的控制方案，每個(gè)CPU模塊最多可帶255個(gè)終端模塊，滿足控制區(qū)域內(nèi)所需最多控制器的需求。為了更加合理化布局，采用BK1120/EK1110模塊將控制系統(tǒng)分為3排，控制器與上層分系統(tǒng)控制臺(tái)或總控管理/束組控制臺(tái)之間通過(guò)工業(yè)以太網(wǎng)(Ethernet)相連接，控制系統(tǒng)塊與塊之間則通過(guò)超高速工業(yè)以太網(wǎng)EtherCAT進(jìn)行連接，而每一控制模塊內(nèi)部每個(gè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)端子模塊之間則通過(guò)自身背板總線上的K-Bus總線進(jìn)行連接。由于EtherCAT網(wǎng)絡(luò)通信的高速性，保證了從控制臺(tái)下達(dá)的指令被控制系統(tǒng)接收后，運(yùn)動(dòng)控制命令能迅速下達(dá)到每個(gè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊，充分確保實(shí)時(shí)性的要求。電機(jī)收到運(yùn)動(dòng)指令后，按照要求的方向運(yùn)行至指定的位置。在指定位置的設(shè)備上安裝光電開(kāi)關(guān)或微動(dòng)開(kāi)關(guān),信號(hào)將導(dǎo)入輸入模塊BL1002/BL1408用以確定最終位置是否準(zhǔn)確,以及是否需要修正。

2 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)軟件配置

　　系統(tǒng)以Beckhoff公司的TwinCAT為軟件開(kāi)發(fā)測(cè)試平臺(tái)。軟件編程過(guò)程分為控制用軟件的編寫(xiě)過(guò)程和硬件組態(tài)過(guò)程。首先通過(guò)PLC control完成控制程序的編寫(xiě)，然后再將程序加載到SystemManager中的PLC Configuration,完成程序中的參數(shù)和硬件端子的連接,再通過(guò)以太網(wǎng)(網(wǎng)絡(luò)或者傳輸電纜)與CX1020相連，將硬件組態(tài)和控制程序分別下載到目標(biāo)設(shè)備即可完成下位機(jī)程序的編寫(xiě)過(guò)程。由于軟件的開(kāi)放性，在分系統(tǒng)控制臺(tái)或總控管理/束組控制臺(tái)可通過(guò)Visual C++語(yǔ)言或其他高級(jí)語(yǔ)言編寫(xiě)的上位機(jī)程序調(diào)用TwinCAT中的DLL實(shí)現(xiàn)與上位機(jī)的控制對(duì)接。TwinCAT提供的編程語(yǔ)言包含IEC61131-3的全部語(yǔ)言：IL、FBD、LD、SFC和ST。用戶可以通過(guò)選用以上語(yǔ)言的任一種進(jìn)行PLC編程。此外，用戶還可以通過(guò)TwinCAT所提供的運(yùn)動(dòng)控制(MC)程序塊進(jìn)行編程，大大簡(jiǎn)化了編程難度，提高了控制的可靠性。TwinCAT也有在運(yùn)動(dòng)控制方面的擴(kuò)展功能，例如,實(shí)現(xiàn)控制電子齒輪、飛行前饋、凸輪碟等較為復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)。本系統(tǒng)主要采用TwinCAT NC進(jìn)行編程。

2.2 通信及組態(tài)連接（編程建立）

　　本控制方案選用TwinCAT NC軸下的MC(Motion Control)功能塊進(jìn)行編程。只需要在程序中調(diào)用其中的各個(gè)功能塊，例如軸使能、運(yùn)動(dòng)或者停止模塊，類似調(diào)用普通PLC程序中功能塊一樣，只需要對(duì)相應(yīng)功能塊的輸入輸出變量進(jìn)行不同的賦值，便可實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的控制。變量可根據(jù)其所對(duì)應(yīng)的類型指定地址，也可由程序自動(dòng)分配其地址空間。

軟件編程結(jié)束后，便可進(jìn)行硬件的組態(tài)和連接,其過(guò)程如下：

　　(1)通過(guò)網(wǎng)線將控制器與計(jì)算機(jī)相連接，第1次連接后應(yīng)進(jìn)行硬件掃描，確保系統(tǒng)上所有的硬件模塊連接正確。

　　(2)在NC Configuration中添加要控制軸的個(gè)數(shù),即所需要控制的電機(jī)的數(shù)目，然后將所建立的軸與硬件掃描后使該軸的控制器相對(duì)應(yīng)，添加建立所需要的軸和軸與控制器對(duì)應(yīng)后的結(jié)果如圖2所示。

　　(3)在PLC Configuration 中導(dǎo)入程序，實(shí)現(xiàn)程序中的軸控制參數(shù)與硬件控制器的對(duì)應(yīng)，對(duì)應(yīng)結(jié)果如圖3所示。

　　(4)將硬件配置和編好的程序下載到目標(biāo)控制器，將系統(tǒng)設(shè)置為運(yùn)行模式，然后通過(guò)改變各個(gè)MC模塊的參數(shù)，便可實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)的控制。

　　步進(jìn)電機(jī)拖動(dòng)設(shè)備的運(yùn)動(dòng)距離主要由電機(jī)的步距角、細(xì)分?jǐn)?shù)及傳遞絲杠的螺距參數(shù)決定，通過(guò)這些參數(shù)計(jì)算出電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)運(yùn)行圈數(shù)和設(shè)備運(yùn)動(dòng)距離的系數(shù)，然后將其填入Scaling Factor，便可在程序中直接指定設(shè)備的運(yùn)行距離，由程序計(jì)算出電機(jī)執(zhí)行所需的脈沖數(shù)。Scaling Factor設(shè)置如圖4所示。此外，為了保證步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行的平穩(wěn)性要求，啟動(dòng)和加速時(shí)間、速度曲線也可設(shè)定載入控制器，以減少軟件編程，提高系統(tǒng)可靠性。加減速參數(shù)設(shè)置如圖5所示。

　　如若對(duì)步進(jìn)電機(jī)的細(xì)分有明確要求，可通過(guò)編程改變控制器的參數(shù)或者通過(guò)Beckhoff公司提供的KS2000軟件對(duì)控制進(jìn)行設(shè)置，實(shí)現(xiàn)電機(jī)的不同細(xì)分要求[2-3]。

　　通過(guò)一系列實(shí)驗(yàn)表明，本控制方案完全可以滿足系統(tǒng)所要求的技術(shù)指標(biāo)，與使用PLC的控制方案和其他控制方式的多電機(jī)控制方案相比，具有以下特點(diǎn)：(1)采用高性能CPU及EtherCAT工業(yè)以太網(wǎng)通信等最新技術(shù)，可滿足高速、高精度要求;(2)系統(tǒng)開(kāi)放性好，易于擴(kuò)展；(3)系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，與傳統(tǒng)控制方案相比較，控制器集成Ethernet接口和EtherCAT接口，輸出模塊直接驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)，大幅縮減了中間環(huán)節(jié)，系統(tǒng)可靠性高，電柜安裝尺寸大幅縮小，施工及維護(hù)簡(jiǎn)單、方便；(4)所有產(chǎn)品均以總線連接，配置及診斷功能方便、強(qiáng)大；(5)控制器預(yù)裝Windows操作系統(tǒng)，可充分利用Windows操作系統(tǒng)帶來(lái)的優(yōu)勢(shì),如在控制器中直接使用VB、VC面向?qū)ο缶幊陶Z(yǔ)言,數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)以及Windows操作系統(tǒng)在組網(wǎng)上的優(yōu)勢(shì)、各操作站之間的數(shù)據(jù)交換。