基于PLC的两轴运动控制系统设计.pdf

文 章 编 号 1 6 7 2 0 1 2 1 2 01 5 01 0 0 6 2 0 3 基 于 P LC 的两 轴 运 动控 制 系统 设计 陆 幸 骏 ， 包 晔 峰 。 杨可 河 海 大 学机 电工 程 学 院 ， 江 苏常 州21 3 0 2 2 摘 要 以可编程 控 制器 P L C作 为运 动控 制 系统 的核心 ， 步进 电机作 为运 动 控制 系 统 的执 行 机构 ， 设 计 了 基 于 P L C的两轴运 动控 制 系统 ； 通 过 P L C高 速脉 冲 口输 出高速脉 冲 ， 实现 了单轴运 动或 者 两轴 运 动 ； 采 用触 摸屏 作 为操 作 面板 ， 建 立 了友 好 的人机 交互 界面 。 关 键词 机 械制 造 自动化 ； P L C； 步进 电机 ； 运 动控 制 中 图 分 类 号 T P 2 7 3 文 献 标 识 码 A DOI 1 0 ． 1 6 3 1 6 ／ j ． i s s n ． 1 6 7 2 0 1 2 1 ． 2 01 5 ． 0 1 ． 0 2 0 0前 言 步 进 电机是 一种将 电脉 冲转 化为 角位 移 的执 行 机 构 。步进 电机 开环控 制结 构 简单 ， 可靠性 高 ， 价 格 低 。 但 当起 动频 率 太高或 者负 载太 大 ， 步 进 电机极 易 失 步 。 而 步 进 电 机 闭 环 控 制 可 以 克 服 以 上 缺 点 ， 提 高 系 统精度 和 稳定性 。 在 闭环控 制系统 中 ， 采用增 量 式 编 码 器 作 为 反 馈 装 置 。 而 P L C 作 为 一 种 工 业 计 算 机 ， 具 有 逻 辑 控 制 、 步 进 控 制 、 数 据 处 理 、 存 储 功 能 、 自诊 断 功能 、 通信 联 网等功 能 ， 而且具 有较 高 的可 靠 性 、 较强 的抗 干扰性 、 较 好 的通用 性等 优点 。 所 以 ， 使 用 P L C控 制 步 进 电 机 ，构 建 两 轴 运 动 控 制 系 统 ， 具 有 重 要 意 义 。 1系统 总 体 设 计 该 运 动 控 制 系 统 由 触 摸 屏 、 P L C、 步 进 电 机 驱 动 器 、 步进 电机 、 限位 开关 、 急停 开关 、 编 码器 等 组 成 。 操 作 者 通 过 触 摸 屏 端 操 作 ， 向 P L C 发 出 控 制 指 令 ， P L C根 据控 制指 令和 内部梯 形 图控 制相 应 步进 电机 动 作 ， 步 进 电 机 将 带 动 相 应 的 进 给 轴 动 作 ， 同 时 ， P L C将采 集 与步进 电机 相连 的编码 器产 生 的反馈 信 号 ， 并将 反 馈信 号返 回给触 摸屏 ， 以完 成 整个 系统 的 反 馈 环 节 。 此 外 ， 外 部 限 位 开 关 用 于 限 定 运 动 系 统 的 极 限 位 置 ， 急 停 开 关 用 于 发 生 突 发 状 况 时 ， 立 即 停 止 机 器 ， 防止 伤害或 者损 失扩 大 。 系统 总体 设计 框 图如 所 示 。 系 统 硬 件 设 计 该 运 动 控制 系统 采 用 “ 脉 冲 方 向” 方 式控 制 步 日期 2 0 1 4 0 6 0 9 简介 陆幸骏 1 9 9 1 一 ， 男， 硕士在读， 主攻机械工程 1 系 统 总 体 设 计 框 图 进 电机 ， 即 P L C输 出高 速 脉 冲 和方 向信 号 ， 完 成 对 步进 电机 的控 制 。 同时 ， P L C输 入端 的 高速计 数 口对 编码 器信 号进 行计 数 。此外 ， 外部 限位 开关 、 急停 开 关 、 功 能 按 钮 也 需 分 配 P L C相 应 的 输 入 端 口 。因 此 ， 选 择 了 三 菱 F X3 U一 6 4 MT，该 P L C是 第 三 代 微 型 可 编 程 控 制 器 ， 内置 独 立 3轴1 0 0 k Hz定 位 功 能 ， 具 有 高 速 计 数 功 能 ， 完 全 满 足 系 统 要 求 。 P L C端 口分 配 如 表 1所 示 。 3系 统 控 制 方 案 设 计 该 运 动 控 制 系 统 主 要 解 决 两 方 面 的 问 题 一 是 两 轴 运 动 的插 补 算 法 问 题 ， 因 为 P L C 本 身 不 具 有 插 补 计算 功能 ， 因此 需要 设计 合适 的插 补算 法 ， 通 过编 程 方法 来实 现插 补 ； 二 是 区分单 轴运 动 和两轴 运 动 ， 单 轴运 动时 ， 判断 是 哪根轴 运动 以及 怎样 运 动 ， 两 轴 运 动 时 ， 两 根 轴 是 怎 样 运 动 。 传 统 的逐 点 比较法 尽 管算法 简单 ，但 是 不能 实 现 两 轴 同 动 ； 数 字 积 分 法 虽 然 作 了 一 定 的 改 进 ， 但 是 该 算 法 两 轴 速 度 比恒 定 ， 算 法 不 易 掌 握 ， 并 且 不 能 保 证 连 续 实 现 两 轴 同 动 。 针 对 以 上 插 补 算 法 的 不 足 ， 提 了另 一 种 插 补 算 法 两 轴 同 动 法 ， 其 原 理 是 每 次 向 两 个 坐 标 轴 分 别 输 出 各 自的 进 给 脉 冲 ，在 同 一 时 间 内 ， 两 个 坐 标 轴 分 别 独 立 地 完 成 规 定 的 进 给 量 ， 根 据 直线 合成 原理 ， 两 轴 同动 的结果 是得 到一 条直 线 ， 原 表 1 P L C端 口分 配表 输入输 出编号 信号名称 ● 轴 l ， 轴 脉冲 Y 0 0 0 Y0 0 1 方 向 Y 0 0 4 Y0 0 5 电机运行 Y O 1 O Y 0 1 1 编码器 X 0 0 0 X 0 0 1 零点限位 X 0 0 3 X 0 0 4 正转限位 X 0 0 6 X 0 0 7 反转限位 X O 1 1 X O 1 2 点动 正 向 X O 1 5 X 0 1 6 点动 反 向 X 0 2 0 X 0 2 1 急停 X O 1 4 启动 X 0 2 3 停止 X 0 2 4 回零 X 0 2 5 理 如 图 2所 示 。 O 图 2 两轴同动原理 图 三 菱 P L C 自带 梯 形 脉 冲输 出 ，过 程 如 图 3所 示 ， 从 初 始 速 度 经 时 间 t 加 速 到 工 作 速 度 输 出 一 定 脉 冲 后 ， 经 时 间 t 减 速 到 初 始 速 度 ， 同 时 达 到 脉 冲 总 数 后 ， 输 出停 止 。 t 图 3 梯形脉 冲输 出 假 设 直 线 A 位 于 第 一 象 限 ， A 点 坐 标 为 ， y。 ， 点 坐标 为 ， Y ， X 轴进 给 距 离为 ， 】 ，轴进 给 距离 为 ， J ， 则 在两 轴 同动情 况 下 ， 各 分 量如 表 2所 示 。 表 2项 目分 量 表 数据 内容 直线分量 轴分量 y轴分量 终点位置 ， y X h l ， 起点位置 ， y 。 y 移动距离 E 、 ／ 6 0 Y 一 Y L Xll_ X ， JFl ， 6 一 王 ， 初始速度 一 工作速度 一 J 加 、 减速时间 l ， 2 ￡ l t l ， t t z t i v ￡ l ， t zy t z 由 于 步 进 电 机 的 输 出 位 移 量 与 输 入 脉 冲数 成 正 比 ， 其 速 度 与单 位 时 间 内输 入 脉 冲数 即脉 冲频 率 成 正 比 ，此 时 ， P L C只 需 向 轴 和 Y轴 步 进 电机 同 时输 出各 自脉 冲总数 和 脉 冲频 率 ， 同时 ， 输 出步进 电 机 方 向控制 信号 ， 就 可 以完成 直线 运动 轨迹 。 两轴 运 动 控 制 系统 的运 动情 况 主 要 有 2种 ， 即 单 轴 运动 和两 轴运 动 。该 系统采 用如 下 指令 来实 现 单 轴 运动 或两 轴运 动 。 LDX023 M 0VD0 K2 Y0 04 LDY01 0 DDRVA D 1 D2Y000Y004 LDY011 DDRVAD3D4Y001 Y005 LDM 8000 DHSCRD 1 C2 3 5Y01 0 DHSCRD3C236Y01 1 当按 下 启 动 按 钮 后 ， P L C执 行 内 部 梯 形 图 程 序 ， 用 D O的每 个 位 来 控 制 Y0 0 4到 Y0 1 3输 出 口的 动 作 。 其 中 选 择 Y0 0 4作 为 轴 电 机 方 向 控 制 信 号 ， Y0 1 0作 为 判 断 X轴 电机 是 否 运 行 的 条 件 ， 即 当 Y0 1 0为高 电平 时 ， 轴 电机 动作 ， 同时选 择 Y0 0 5作 为 l ， 轴 电 机 方 向控 制 信 号 ， Y0 1 1作 为 判 断 l ， 轴 电 机 是 否运 行 的条 件 ， 即 当 Y0 1 1为 高 电平 时 ， l ， 机 动作 。 电机状 态控 制表 如表 3所 示 。 当 P L C高 速 计 数 口对 编 码 器 的计 数 值 与 值 相 等 时 ， Y01 0或 者 Y01 1将 会 被 复位 ，电机 运 行 。 4触 摸 屏 界 面 设 计