基于PLC的兩軸運動控制系統設計

陸幸駿，包曄峰，楊 可

（河海大學 機電工程學院，江蘇 常州 213022）

0 前言

步進電機是一種將電脈沖轉化為角位移的執行機構。步進電機開環控制結構簡單，可靠性高，價格低。但當起動頻率太高或者負載太大，步進電機極易失步。而步進電機閉環控制可以克服以上缺點，提高系統精度和穩定性。在閉環控制系統中，采用增量式編碼器作為反饋裝置。而PLC作為一種工業計算機，具有邏輯控制、步進控制、數據處理、存儲功能、自診斷功能、通信聯網等功能，而且具有較高的可靠性、較強的抗干擾性、較好的通用性等優點。所以，使用PLC控制步進電機，構建兩軸運動控制系統，具有重要意義。

1 系統總體設計

該運動控制系統由觸摸屏、PLC、步進電機驅動器、步進電機、限位開關、急停開關、編碼器等組成。操作者通過觸摸屏端操作，向PLC發出控制指令，PLC根據控制指令和內部梯形圖控制相應步進電機動作，步進電機將帶動相應的進給軸動作，同時，PLC將采集與步進電機相連的編碼器產生的反饋信號，并將反饋信號返回給觸摸屏，以完成整個系統的反饋環節。此外，外部限位開關用于限定運動系統的極限位置，急停開關用于發生突發狀況時，立即停止機器，防止傷害或者損失擴大。系統總體設計框圖如圖1所示。

圖1 系統總體設計框圖

2 系統硬件設計

該運動控制系統采用“脈沖+方向”方式控制步進電機，即PLC輸出高速脈沖和方向信號，完成對步進電機的控制。同時，PLC輸入端的高速計數口對編碼器信號進行計數。此外，外部限位開關、急停開關、功能按鈕也需分配PLC相應的輸入端口。因此，選擇了三菱FX3U-64MT，該PLC是第三代微型可編程控制器，內置獨立3軸100kHz定位功能，具有高速計數功能，完全滿足系統要求。PLC端口分配如表1所示。

3 系統控制方案設計

該運動控制系統主要解決兩方面的問題：一是兩軸運動的插補算法問題，因為PLC本身不具有插補計算功能，因此需要設計合適的插補算法，通過編程方法來實現插補；二是區分單軸運動和兩軸運動，單軸運動時，判斷是哪根軸運動以及怎樣運動，兩軸運動時，兩根軸是怎樣運動。

傳統的逐點比較法盡管算法簡單，但是不能實現兩軸同動；數字積分法雖然作了一定的改進，但是該算法兩軸速度比恒定，算法不易掌握，并且不能保證連續實現兩軸同動。針對以上插補算法的不足，提出了另一種插補算法：兩軸同動法，其原理是每次向兩個坐標軸分別輸出各自的進給脈沖，在同一時間內，兩個坐標軸分別獨立地完成規定的進給量，根據直線合成原理，兩軸同動的結果是得到一條直線，原理如圖2所示。

表1 PLC端口分配表

圖2 兩軸同動原理圖

三菱PLC自帶梯形脈沖輸出，過程如圖3所示，從初始速度vs，經時間t1加速到工作速度ve，輸出一定脈沖后，經時間t2減速到初始速度，同時達到脈沖總數后，輸出停止。

圖3 梯形脈沖輸出

假設直線AB位于第一象限，A點坐標為（Xa，Ya），B 點坐標為（Xb，Yb），X 軸進給距離為 Lx，Y 軸進給距離為Ly，則在兩軸同動情況下，各分量如表2所示。

表2 項目分量表

由于步進電機的輸出位移量與輸入脈沖數成正比，其速度與單位時間內輸入脈沖數（即脈沖頻率）成正比，此時，PLC只需向X軸和Y軸步進電機同時輸出各自脈沖總數和脈沖頻率，同時，輸出步進電機方向控制信號，就可以完成直線運動軌跡。

兩軸運動控制系統的運動情況主要有2種，即單軸運動和兩軸運動。該系統采用如下指令來實現單軸運動或兩軸運動。

LDX023

MOVD0K2Y004

LDY010

DDRVAD1D2Y000Y004

LDY011

DDRVAD3D4Y001Y005

LDM8000

DHSCRD1C235Y010

DHSCRD3C236Y011

當按下啟動按鈕后，PLC執行內部梯形圖程序，用D0的每個位來控制Y004到Y013輸出口的動作。其中選擇Y004作為X軸電機方向控制信號，Y010作為判斷X軸電機是否運行的條件，即當Y010為高電平時，X軸電機動作，同時選擇Y005作為Y軸電機方向控制信號，Y011作為判斷Y軸電機是否運行的條件，即當Y011為高電平時，Y軸電機動作。電機狀態控制表如表3所示。

當PLC高速計數口對編碼器的計數值與預設值相等時，Y010或者Y011將會被復位，電機停止運行。

4 觸摸屏界面設計

表3 電機控制狀態表

該系統采用三菱GS2107觸摸屏作為操作面板，操作者通過觸摸屏端操作，實現不同的控制功能。手動模式下，操作者可以進行X軸點動、Y軸點動操作。自動模式下，操作者通過輸入起點坐標和終點坐標，并選擇電機的8種工作模式，按下啟動按鈕，PLC會根據內部梯形圖，控制電機運行到指定位置。此外，PLC高速計數口對編碼器進行計數，數值轉化為坐標，實時顯示在觸摸屏上。觸摸屏界面設計如圖4所示。

圖4 觸摸屏界面設計圖

5 結論

（1）該運動控制系統以PLC為核心，步進電機為執行機構，結構簡單，動態性能良好；

（2）設計的插補算法和應用指令，可以實現單軸運動或兩軸運動；

（3）采用觸摸屏作為人機交互界面，操作簡單，易于掌握。

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