1、倍福Beckhoff在步進(jìn)電機(jī)控制中的應(yīng)用研究倍福 Beckhoff 在步進(jìn)電機(jī)控制中的應(yīng)用研究 類別：傳感與控制該系統(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，不需要昂貴的反應(yīng)系統(tǒng)著稱，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)載位置的反應(yīng)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

2、步進(jìn)電機(jī)時(shí)比擬簡(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 ， 本 錢高，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 本 錢 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 設(shè) 備的狀 態(tài)

3、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 撲圖如圖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

4、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 ControlandAutomation 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

5、，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)主要由控制效勞器、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

6、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 024MB,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)TwinCATPLCThe Windows Control and Automation Technology

7、 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 PLCopenft 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)；350s 處理 12 000 個(gè)數(shù)字量 I/Q100NS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

8、，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 稱為“步距角 。它的旋轉(zhuǎn)是以固定的角度一步一步運(yùn)行的。可以通過(guò)控制脈沖個(gè)數(shù)來(lái)控 制角位移量，從而到達(dá)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，從而到達(dá)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 07 A,保 持轉(zhuǎn)矩 0.065 gcm2。KL2531 和 KL2541 是集成的步進(jìn)電機(jī)控制器，是Beckhoff

9、 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 o 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 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 WindowsNT2000/XP/CE.NEKXP 嵌入 式操作系統(tǒng)的普通

10、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 次件具備四套獨(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50 仙S取決于所使用的 CPUt 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)境根底之上， 在 TwinCAT PLC 中可以使用 IEC61131-3 的五種不同語(yǔ)言創(chuàng)立 PLC 程序。 TwinCAT實(shí)時(shí)任務(wù)運(yùn)彳 T 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%。并在此根底上，將伺服控制中的PTR NCI和 HMI 技術(shù)拓展