基于嵌入式PC控制器的步進(jìn)電機群控系統設計

　　德國倍福(Beckhoff)公司作為專(zhuān)業(yè)的自動(dòng)化設計和制造公司，生產(chǎn)一種基于工業(yè)PC機和PLC之間的嵌入式PC機。主要是針對需要帶有工業(yè)PC機特性和計算機的功能但又不打算購買(mǎi)整臺PC機的客戶(hù)而設計的。它很好地結合了工業(yè)PC機和硬件PLC的功能，并具有強大的運動(dòng)控制功能和完善的人機界面（HMI），是一種導軌式的三位一體的多功能的控制器。由于它采用導軌式安裝、模塊化設計、多種現場(chǎng)總線(xiàn)通信方式以及多種功能模塊的搭配，使其在大量電機的控制系統應用中，有著(zhù)PLC無(wú)法具備的許多優(yōu)勢，如連接線(xiàn)路少、占用空間小等，再加上電機專(zhuān)用控制模塊和其具備的運動(dòng)控制功能，使得整個(gè)控制系統構成簡(jiǎn)單，運行可靠、高效[1]。

　　本文在仔細研究Beckhoff嵌入式PC機及相關(guān)模塊性能的基礎上，通過(guò)大量的實(shí)驗，提出并驗證了步進(jìn)電機群控的設計方案。

1 控制系統硬件組成

1.1 控制系統概述

　　本控制系統作為一個(gè)分系統，受主控系統的指令調度，其控制對象為大量的步進(jìn)電機?？刂埔笤谥付〞r(shí)間段內驅動(dòng)若干電機將其不同的負載設備可靠地送到指定位置，完成不同的任務(wù)。由于整個(gè)系統龐大，電機數量眾多且分散，數據傳輸量巨大，要求該控制系統與主控系統之間采用工業(yè)以太網(wǎng)分層設計，使其具有極高的可靠性、開(kāi)放性，并具有運行效率高維護方便的特點(diǎn)。

1.2 控制系統網(wǎng)絡(luò )拓撲

　　整個(gè)控制系統分為6組，每組分為幾個(gè)電機數目不等的控制區域，圖1表明其中某一控制區域的網(wǎng)絡(luò )控制拓撲?？刂葡到y采用FCS（Fieldbus Control System）控制架構設計，控制器CX1020向下通過(guò)電機控制模塊KL2531/KL2541實(shí)現對底層電機的控制，向上則通過(guò)自身所帶的以太網(wǎng)模塊以及以太網(wǎng)交換機接入控制系統，現場(chǎng)控制中心通過(guò)控制服務(wù)器實(shí)現對被控設備的操作控制，完成系統內設備調度管理,通過(guò)網(wǎng)絡(luò )按照控制流程對設備進(jìn)行控制。

1.2.1 系統硬件配置

　　系統硬件配置如下：

　　(1)CPU(CX1020):內部采用時(shí)鐘頻率為1 GHz的奔騰MMX處理器,內存可以擴展到4 GB閃存/1 024 MB RAM，最多可實(shí)現255個(gè)總線(xiàn)端子連接到CX1020控制器上，再加上Microsoft Windows CE.NET或Microsoft嵌入式Windows XP操作系統便成為功能強大的PLC和運動(dòng)控制系統，通過(guò)網(wǎng)線(xiàn)插在CPU模塊的以太網(wǎng)接口上，可實(shí)現與主控制系統的連接。也可通過(guò)以太網(wǎng)和計算機連接實(shí)現程序的下載和硬件組態(tài)。
　　(2)電機驅動(dòng)模塊(KL2531/KL2541)： KL2531最大驅動(dòng)電流為1.5 A，KL2541最大驅動(dòng)電流為5 A。兩者都通過(guò)背板總線(xiàn)K-Bus、EtherCAT網(wǎng)絡(luò )接口模塊與控制器相連接?？赏ㄟ^(guò)程序設定實(shí)現步進(jìn)電機的不同細分，通過(guò)K-Bus總線(xiàn)通訊,其配置、診斷和維護非常方便,包括檢測軟件配置錯誤、模塊溫度報警、欠壓及電機A、B相斷路、短路等。實(shí)現對電機運行過(guò)程中的故障診斷?？商岣呦到y運行的可靠性以及錯誤排查的方便性。
　　(3)數字量輸入模塊(BL1002/BL1408)：BL1002和BL1408分別為2路和8路的數字量輸入模塊，主要用來(lái)配合光電開(kāi)關(guān)或微動(dòng)開(kāi)關(guān)信號的檢測，判斷設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展連接。
　　(6)繼電器模塊(KL2622)：主要用于控制系統的通斷電控制,使得系統在工作時(shí)加電，停止時(shí)斷電，最大限度地減小系統的功率損耗。
　　(7)電源模塊(CX1100)：為CPU及其他模塊提供24 V工作電源。

1.2.2 方案設計

　　采用1臺CX1020 CPU帶若干個(gè)電機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(mǎn)足控制區域內所需最多控制器的需求。為了更加合理化布局，采用BK1120/EK1110模塊將控制系統分為3排，控制器與上層分系統控制臺或總控管理/束組控制臺之間通過(guò)工業(yè)以太網(wǎng)(Ethernet)相連接，控制系統塊與塊之間則通過(guò)超高速工業(yè)以太網(wǎng)EtherCAT進(jìn)行連接，而每一控制模塊內部每個(gè)電機驅動(dòng)端子模塊之間則通過(guò)自身背板總線(xiàn)上的K-Bus總線(xiàn)進(jìn)行連接。由于EtherCAT網(wǎng)絡(luò )通信的高速性，保證了從控制臺下達的指令被控制系統接收后，運動(dòng)控制命令能迅速下達到每個(gè)電機驅動(dòng)模塊，充分確保實(shí)時(shí)性的要求。電機收到運動(dòng)指令后，按照要求的方向運行至指定的位置。在指定位置的設備上安裝光電開(kāi)關(guān)或微動(dòng)開(kāi)關(guān),信號將導入輸入模塊BL1002/BL1408用以確定最終位置是否準確,以及是否需要修正。

2 控制系統軟件設計

2.1 系統軟件配置

　　系統以Beckhoff公司的TwinCAT為軟件開(kāi)發(fā)測試平臺。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設備即可完成下位機程序的編寫(xiě)過(guò)程。由于軟件的開(kāi)放性，在分系統控制臺或總控管理/束組控制臺可通過(guò)Visual C++語(yǔ)言或其他高級語(yǔ)言編寫(xiě)的上位機程序調用TwinCAT中的DLL實(shí)現與上位機的控制對接。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(hù)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(hù)還可以通過(guò)TwinCAT所提供的運動(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也有在運動(dòng)控制方面的擴展功能，例如,實(shí)現控制電子齒輪、飛行前饋、凸輪碟等較為復雜的運動(dòng)控制系統。本系統主要采用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。只需要在程序中調用其中的各個(gè)功能塊，例如軸使能、運動(dòng)或者停止模塊，類(lèi)似調用普通PLC程序中功能塊一樣，只需要對相應功能塊的輸入輸出變量進(jìn)行不同的賦值，便可實(shí)現相應的控制。變量可根據其所對應的類(lèi)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(xiàn)將控制器與計算機相連接，第1次連接后應進(jìn)行硬件掃描，確保系統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,即所需要控制的電機的數目，然后將所建立的軸與硬件掃描后使該軸的控制器相對應，添加建立所需要的軸和軸與控制器對應后的結果如圖2所示。

　　(3)在PLC Configuration 中導入程序，實(shí)現程序中的軸控制參數與硬件控制器的對應，對應結果如圖3所示。

　　(4)將硬件配置和編好的程序下載到目標控制器，將系統設置為運行模式，然后通過(guò)改變各個(gè)MC模塊的參數，便可實(shí)現對電機的控制。

　　步進(jìn)電機拖動(dòng)設備的運動(dòng)距離主要由電機的步距角、細分數及傳遞絲杠的螺距參數決定，通過(guò)這些參數計算出電機轉動(dòng)運行圈數和設備運動(dòng)距離的系數，然后將其填入Scaling Factor，便可在程序中直接指定設備的運行距離，由程序計算出電機執行所需的脈沖數。Scaling Factor設置如圖4所示。此外，為了保證步進(jìn)電機運行的平穩性要求，啟動(dòng)和加速時(shí)間、速度曲線(xiàn)也可設定載入控制器，以減少軟件編程，提高系統可靠性。加減速參數設置如圖5所示。

　　如若對步進(jìn)電機的細分有明確要求，可通過(guò)編程改變控制器的參數或者通過(guò)Beckhoff公司提供的KS2000軟件對控制進(jìn)行設置，實(shí)現電機的不同細分要求[2-3]。

　　通過(guò)一系列實(shí)驗表明，本控制方案完全可以滿(mǎn)足系統所要求的技術(shù)指標，與使用PLC的控制方案和其他控制方式的多電機控制方案相比，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(mǎn)足高速、高精度要求;(2)系統開(kāi)放性好，易于擴展；(3)系統拓撲結構簡(jiǎn)單，與傳統控制方案相比較，控制器集成Ethernet接口和EtherCAT接口，輸出模塊直接驅動(dòng)步進(jìn)電機，大幅縮減了中間環(huán)節，系統可靠性高，電柜安裝尺寸大幅縮小，施工及維護簡(jiǎn)單、方便；(4)所有產(chǎn)品均以總線(xiàn)連接，配置及診斷功能方便、強大；(5)控制器預裝Windows操作系統，可充分利用Windows操作系統帶來(lái)的優(yōu)勢,如在控制器中直接使用VB、VC面向對象編程語(yǔ)言,數據庫系統以及Windows操作系統在組網(wǎng)上的優(yōu)勢、各操作站之間的數據交換。