倍福Beckhoff在步進(jìn)電機控制中的應用研究

該系統為某主機電控系統，完成對光束的準直過(guò)程中的參數診斷、數據采集、閉環(huán)控制等實(shí)時(shí)控制功能以及與主控系統的通信功能。步進(jìn)電機以性?xún)r(jià)比高，實(shí)時(shí)效果好，不需要昂貴的反饋系統著(zhù)稱(chēng)，該系統中采用了一千多個(gè)步進(jìn)電機來(lái)實(shí)現對光束的準直。神光原型采用控制卡控制大量步進(jìn)電機，控制卡控制步進(jìn)電機沒(méi)有負載位置的反饋信號，實(shí)時(shí)效果差，故障定位非常困難；試驗中采用西門(mén)子PLC(Programmable Logic Controller，可編程邏輯控制器)控制這些電機可靠性好，但控制少量步進(jìn)電機時(shí)比較簡(jiǎn)單，控制大量步進(jìn)電機時(shí)時(shí)序復雜，接線(xiàn)復雜，成本高，調試困難。最終方案采用德國Beckhoff公司的自動(dòng)化產(chǎn)品，如嵌入式控制器，現場(chǎng)總線(xiàn)端子、步進(jìn)電機總線(xiàn)端子等設備控制電機，該方案具有成本較低、操作簡(jiǎn)便、占用空間小等優(yōu)點(diǎn)，也提高了系統的性能和可靠性，現已通過(guò)試驗和評審進(jìn)入調試階段。

1 步進(jìn)電機運動(dòng)控制系統總體設計思想

電控系統的總體設計思想為：控制系統設計應分別滿(mǎn)足現場(chǎng)獨立控制與遠程集中控制，各子系統具備對系統各類(lèi)設備的狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監測的功能，包括故障定位檢測和報警；具備對系統各設備進(jìn)行參數設置、參數采集、存儲、處理等功能。主控計算機位于主控制室內，通過(guò)1 000 Mb／s光纖網(wǎng)絡(luò )與分控計算機通信，分控計算機通過(guò)光纖交換機與控制設備采用工業(yè)以太網(wǎng)通信，其網(wǎng)絡(luò )拓撲圖如圖1所示。

2 步進(jìn)電機運動(dòng)控制系統設計方案

2.1 倍福步進(jìn)電機總體控制架構設計

采用基于嵌入式PC的模塊化運動(dòng)控制器，型號為CX1020，運動(dòng)控制器本身集成雙Ethernet接口，其中一個(gè)向上連接到現場(chǎng)工業(yè)以太網(wǎng)，接受運動(dòng)控制的調用指令，另一個(gè)可以作為本地調試的網(wǎng)絡(luò )接口。運動(dòng)控制器、運動(dòng)控制網(wǎng)絡(luò )接口部件、步進(jìn)電機驅動(dòng)器通過(guò)硬實(shí)時(shí)的超高速以太網(wǎng)EtherCAT(Ethernet for Controland Automation Technology)構成運動(dòng)控制網(wǎng)絡(luò )系統，采用EtherCAT取代以往的現場(chǎng)總線(xiàn)傳輸技術(shù)，可以顯著(zhù)減少控制系統CPU的負荷，而且無(wú)需任何智能主站卡，適合集中式與分布式控制體系。

末端端子與底層EtherCAT總線(xiàn)耦合器端子BK1120相連，在本機架內總線(xiàn)耦合器通過(guò)K-Bus總線(xiàn)接口連接電機驅動(dòng)總線(xiàn)端子KL2531和KL2541，步進(jìn)電機直接連接在這兩個(gè)端子上，如果使用KL2541端子，還需要在機架上安設數字輸入端子KL1002，用于接人步進(jìn)電機限位信號，最后在機架末端安放BK9010總線(xiàn)終端端子。

每級機架上總線(xiàn)耦合器BK1120的另一網(wǎng)絡(luò )端口向下依次級聯(lián)另一機架上的總線(xiàn)耦合器，最后從控制器到各級機架網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)形成一個(gè)總線(xiàn)型的控制網(wǎng)絡(luò )拓撲結構。KL2531和KL2541是步進(jìn)電機總線(xiàn)端子，提供一路20 kHz的脈沖，可以各帶一個(gè)步進(jìn)電機。步進(jìn)電機總體控制架構如圖2所示。

具體的控制器和通訊模塊等數量配置見(jiàn)表1。

2.2 硬件組成

電機控制系統主要由控制服務(wù)器、運動(dòng)控制器、電源模塊、Ethernet交換數據的通訊模塊和總線(xiàn)端子等組成。

2.3 重要器件概述