倍福Beckhoff在步進(jìn)電機(jī)控制中的應(yīng)用研究

該系統(tǒng)為某主機(jī)電控系統(tǒng)，完成對(duì)光束的準(zhǔn)直過(guò)程中的參數(shù)診斷、數(shù)據(jù)采集、閉環(huán)控制等實(shí)時(shí)控制功能以及與主控系統(tǒng)的通信功能。步進(jìn)電機(jī)以性價(jià)比高，實(shí)時(shí)效果好，不需要昂貴的反饋系統(tǒng)著稱(chēng)，該系統(tǒng)中采用了一千多個(gè)步進(jìn)電機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)光束的準(zhǔn)直。神光原型采用控制卡控制大量步進(jìn)電機(jī)，控制卡控制步進(jìn)電機(jī)沒(méi)有負(fù)載位置的反饋信號(hào)，實(shí)時(shí)效果差，故障定位非常困難；試驗(yàn)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(jī)可靠性好，但控制少量步進(jìn)電機(jī)時(shí)比較簡(jiǎn)單，控制大量步進(jìn)電機(jī)時(shí)時(shí)序復(fù)雜，接線復(fù)雜，成本高，調(diào)試?yán)щy。最終方案采用德國(guó)Beckhoff公司的自動(dòng)化產(chǎn)品，如嵌入式控制器，現(xiàn)場(chǎng)總線端子、步進(jìn)電機(jī)總線端子等設(shè)備控制電機(jī)，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(tǒng)的性能和可靠性，現(xiàn)已通過(guò)試驗(yàn)和評(píng)審進(jìn)入調(diào)試階段。

1 步進(jìn)電機(jī)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)思想

電控系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)思想為：控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)應(yīng)分別滿足現(xiàn)場(chǎng)獨(dú)立控制與遠(yuǎn)程集中控制，各子系統(tǒng)具備對(duì)系統(tǒng)各類(lèi)設(shè)備的狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的功能，包括故障定位檢測(cè)和報(bào)警；具備對(duì)系統(tǒng)各設(shè)備進(jìn)行參數(shù)設(shè)置、參數(shù)采集、存儲(chǔ)、處理等功能。主控計(jì)算機(jī)位于主控制室內(nèi)，通過(guò)1 000 Mb／s光纖網(wǎng)絡(luò)與分控計(jì)算機(jī)通信，分控計(jì)算機(jī)通過(guò)光纖交換機(jī)與控制設(shè)備采用工業(yè)以太網(wǎng)通信，其網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D如圖1所示。

2 步進(jìn)電機(jī)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

2.1 倍福步進(jìn)電機(jī)總體控制架構(gòu)設(shè)計(jì)

采用基于嵌入式PC的模塊化運(yùn)動(dòng)控制器，型號(hào)為CX1020，運(yùn)動(dòng)控制器本身集成雙Ethernet接口，其中一個(gè)向上連接到現(xiàn)場(chǎng)工業(yè)以太網(wǎng)，接受運(yùn)動(dòng)控制的調(diào)用指令，另一個(gè)可以作為本地調(diào)試的網(wǎng)絡(luò)接口。運(yùn)動(dòng)控制器、運(yùn)動(dòng)控制網(wǎng)絡(luò)接口部件、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)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(gòu)成運(yùn)動(dòng)控制網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，采用EtherCAT取代以往的現(xiàn)場(chǎng)總線傳輸技術(shù)，可以顯著減少控制系統(tǒng)CPU的負(fù)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總線耦合器端子BK1120相連，在本機(jī)架內(nèi)總線耦合器通過(guò)K-Bus總線接口連接電機(jī)驅(qū)動(dòng)總線端子KL2531和KL2541，步進(jìn)電機(jī)直接連接在這兩個(gè)端子上，如果使用KL2541端子，還需要在機(jī)架上安設(shè)數(shù)字輸入端子KL1002，用于接人步進(jìn)電機(jī)限位信號(hào)，最后在機(jī)架末端安放BK9010總線終端端子。

每級(jí)機(jī)架上總線耦合器BK1120的另一網(wǎng)絡(luò)端口向下依次級(jí)聯(lián)另一機(jī)架上的總線耦合器，最后從控制器到各級(jí)機(jī)架網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)形成一個(gè)總線型的控制網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。KL2531和KL2541是步進(jìn)電機(jī)總線端子，提供一路20 kHz的脈沖，可以各帶一個(gè)步進(jìn)電機(jī)。步進(jìn)電機(jī)總體控制架構(gòu)如圖2所示。

具體的控制器和通訊模塊等數(shù)量配置見(jiàn)表1。

2.2 硬件組成

電機(jī)控制系統(tǒng)主要由控制服務(wù)器、運(yùn)動(dòng)控制器、電源模塊、Ethernet交換數(shù)據(jù)的通訊模塊和總線端子等組成。

2.3 重要器件概述

運(yùn)動(dòng)控制器采用基于嵌入式PC的模塊化運(yùn)動(dòng)控制器，型號(hào)為CX1020，處理器為Intel Celeron MULV1 GHz，內(nèi)存為256 MB／512 MB／1 024 MB，操作系統(tǒng)為Microsoft Windows XP Embedded或MicrosoftWindows CE。該運(yùn)動(dòng)控制器應(yīng)用于中等規(guī)模的控制系統(tǒng)中，自帶兩個(gè)工業(yè)以太網(wǎng)EtherCAT接口，其中一個(gè)向上連接到現(xiàn)場(chǎng)工業(yè)以太網(wǎng)，接受運(yùn)動(dòng)控制的調(diào)用指令，另一個(gè)可以作為本地調(diào)試的網(wǎng)絡(luò)接口。軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái)TwinCAT PLC(The Windows Control and Automation Technology PLC)使用符合采用IEC61131-3的編程語(yǔ)言編程，運(yùn)動(dòng)控制功能庫(kù)符合PLCopen標(biāo)準(zhǔn)，具有通用的、開(kāi)放式軟件接口。

EtherCAT是與PC控制技術(shù)相匹配的通訊系統(tǒng)，以Beckhoff開(kāi)發(fā)的實(shí)時(shí)工業(yè)以太網(wǎng)解決方案，其特點(diǎn)是性能優(yōu)越、操作簡(jiǎn)便。該技術(shù)采用標(biāo)準(zhǔn)的以太網(wǎng)幀，支持因特網(wǎng)技術(shù)。以太網(wǎng)可以直接到達(dá)端子，以太網(wǎng)過(guò)程接口可以從2位擴(kuò)展到64個(gè)字節(jié)；350μs處理12 000個(gè)數(shù)字量I／O；100μs處理100個(gè)電機(jī)軸等。EtherCAT適合于多種網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，可用于設(shè)備控制、機(jī)器人、嵌入式系統(tǒng)、樓宇自動(dòng)化、運(yùn)輸系統(tǒng)等。

步進(jìn)電機(jī)歷史悠久，爆發(fā)力好，便于控制并且扭矩大，在控制領(lǐng)域內(nèi)占有相當(dāng)重要的地位。步進(jìn)電機(jī)是一種將電脈沖轉(zhuǎn)化為角位移的執(zhí)行機(jī)構(gòu)。當(dāng)步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器接收到一個(gè)脈沖信號(hào)，它就驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)按設(shè)定的方向轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)固定的角度(稱(chēng)為“步距角”)。它的旋轉(zhuǎn)是以固定的角度一步一步運(yùn)行的?？梢酝ㄟ^(guò)控制脈沖個(gè)數(shù)來(lái)控制角位移量，從而達(dá)到準(zhǔn)確定位的目的。同時(shí)可以通過(guò)控制脈沖頻率來(lái)控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的速度和加速度，從而達(dá)到調(diào)速的目的。我們采用北京四通的兩相混合式步進(jìn)電機(jī)，型號(hào)為28BYG250C，步距角為0.9／1.8，靜態(tài)相電流0～7 A，保持轉(zhuǎn)矩0.065 N／m，定位轉(zhuǎn)矩0.005 N／m，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量12 gcm2。

KL2531和KL2541是集成的步進(jìn)電機(jī)控制器，是Beckhoff產(chǎn)品中用于傳統(tǒng)驅(qū)動(dòng)器高性價(jià)比的產(chǎn)品。KL2531和KL2541均可以提供和小型伺服驅(qū)動(dòng)器相近似的性能，提供了最大64個(gè)最大中間步，并提供一路20 kHz的脈沖，一路脈沖驅(qū)動(dòng)一臺(tái)步進(jìn)電機(jī)。KL2531總線端子用于較低性能場(chǎng)合，該端子是為簡(jiǎn)單的整合到24 V直流電壓控制系統(tǒng)而設(shè)計(jì)的，每相尖峰電流1.5 A。KL2541可以提供高達(dá)5 A的最大電流，能夠驅(qū)動(dòng)扭矩高達(dá)5 Nm的步進(jìn)電機(jī)。端子的輸出階段，有以溫度過(guò)高警報(bào)并且關(guān)斷的形式的過(guò)載保護(hù)，同時(shí)還有短路保護(hù)功能，診斷數(shù)據(jù)可以通過(guò)控制器的過(guò)程映像區(qū)來(lái)取得，自帶兩路高速輸入通道，快速準(zhǔn)確記錄當(dāng)前位置，或?qū)崿F(xiàn)急停功能。輸出脈沖可以通過(guò)“EnableBit”啟動(dòng)，電機(jī)的電流可以通過(guò)參數(shù)值來(lái)進(jìn)行設(shè)定。對(duì)電機(jī)的配置可以通過(guò)軟件來(lái)完成，這樣總線端子能容易的進(jìn)行更換，而且參數(shù)可以存儲(chǔ)或者被轉(zhuǎn)移到下一個(gè)工程，無(wú)需通過(guò)電位器或者指撥開(kāi)關(guān)來(lái)設(shè)定。

3 軟件配置

Beckhoff公司基于PC平臺(tái)的實(shí)時(shí)核技術(shù)可以將安裝了Microsoft公司W(wǎng)indowsNT／2000／XP／CE.NET／XP嵌入式操作系統(tǒng)的普通PC和Beckhoff公司的嵌入式控制系統(tǒng)CX1000改造為具有實(shí)時(shí)能力的PC控制器。Beckhoff公司基于PC平臺(tái)的實(shí)時(shí)核技術(shù)通過(guò)與3S公司提供的TwinCAT編程環(huán)境相結(jié)合，以及系統(tǒng)管理器對(duì)Beckhoff公司各種I／O設(shè)備的驅(qū)動(dòng)程序相結(jié)合，使TwinCAT CP、I／O、PLC、PTP和NCI構(gòu)成了一套完整的基于PC平臺(tái)的實(shí)時(shí)控制器解決方案。

TwinCAT軟件具備四套獨(dú)立運(yùn)行的PLC實(shí)時(shí)核，每套PLC都可分配4個(gè)任務(wù)，并且可以將最小任務(wù)周期時(shí)間設(shè)置為50μs(取決于所使用的CPU處理能力)。TwinCAT PLC控制是用于PLC的完整開(kāi)發(fā)環(huán)境，所使用的編輯器和調(diào)試功能建立在高級(jí)編程語(yǔ)言開(kāi)發(fā)環(huán)境基礎(chǔ)之上，在TwinCAT PLC中可以使用IEC61131-3的五種不同語(yǔ)言創(chuàng)建PLC程序。TwinCAT實(shí)時(shí)任務(wù)運(yùn)行的載荷率(TwinCAT實(shí)時(shí)任務(wù)運(yùn)行時(shí)間與操作系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)間的比率)可調(diào)范圍為10％～90％。并在此基礎(chǔ)上，將伺服控制中的PTP、NCI和HMI技術(shù)拓展到系統(tǒng)管理器和TwinCAT編程環(huán)境中。

4 結(jié) 語(yǔ)

該設(shè)計(jì)方案已經(jīng)通過(guò)實(shí)驗(yàn)階段進(jìn)入正式調(diào)試階段，在該過(guò)程中，可以發(fā)現(xiàn)倍福產(chǎn)品有很多優(yōu)點(diǎn)，占用的空間小。現(xiàn)場(chǎng)總線端子的主要特點(diǎn)是性價(jià)比高，質(zhì)量可靠，結(jié)構(gòu)緊湊，堅(jiān)固耐用，而且安裝和接線非常方便。EtherCAT技術(shù)具有高度的通用性，基于EtherCAT的系統(tǒng)可以大大縮短研發(fā)速度。