用PLC主機直接控制四軸系統的方案設計

魏西營

摘 要：從FATEK FBs_PLC內部的SoC晶片入手，整合了4組硬體高速脈沖寬度調變輸出，使其結構略作調整，用主機直接控制（不使用伺服模塊）電機，實現四軸聯動的伺服運行控制系統，其頻率高達184.32 kHz。在設備制造領域內，使用者采用最經濟的方法實現穩定、精準的控制，其有廣泛的推廣前景。

關鍵詞：高速輸出口；四軸聯動；硬體高速PWM；伺服運行控制系統

中圖分類號：TQ315 文獻標識碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2016.20.081

文章編號：2095-6835（2016）20-0081-01

可編程序控制器（programmable logic controller），簡稱PLC，是數字運算的操作系統，被廣泛應用于工業控制領域。FBs-PLC特有0.1 ms時基之高速計時器提供誤差0.1 ms的計時器和計時到（time-up）的即時中斷處理功能。過去，PLC無法勝任精密計時或速度檢測的場合，現在均可勝任，而且其功能也不再局限于邏輯控制。因為有高速脈沖輸出（HSPSO）單機可作4軸直線補間伺服控制，再加上各軸細致平順之加/減速功能，可以輕易完成多段變化且平順、精準的直線路徑或定位控制。

1 硬體結構和電氣方案設計

根據課題要求，采用FATEK SoC Based 微型PLC作為主控制器，機型為FBs-24MCT。

FBs-PLC的輸出（DO）：Y0、Y1、Y2、Y3為高速單相頻率120 kHz，Y4、Y5、Y6、Y7為中速單相頻率20 kHz，Y8、Y9為低速單相頻率200 Hz，輸出（DO）共8只。

因為課題項目為4軸電機伺服運行的脈沖驅動方式，則Y0、Y1控制電機1，Y2、Y3控制電機2，Y4、Y5控制電機3，Y6、Y7控制電機4.其中，輸出（DO）Y4、Y5、Y6、Y7為中速20 kHz的頻率沒有達到課題項目指標，所以，將FBs-PLC拆開自己調整換位輸出（DO）高速芯片Y1、Y3換位中速芯片Y4、Y6。這樣，輸出（DO）硬體參數達到了課題項目指標，并將電機的驅動方式選擇為脈沖+方向控股。FBs-PLC的電氣原理如圖1所示。

該系統主要是由氣動元件、機械部件、步進電動機和零位傳感器組成的。根據課題項目的工藝流程，每組2只電機按時序伺服運行，項目中共分2組4軸同時獨立工作。

2 項目工藝流程簡介

第一組工藝流程：正繞圈、反繞圈、拉尾長、夾工件、切工件、抽芯桿、車頭電機1復位（機械部件定位）、絲桿電機2回位（機械部分完成送料及定位）、松工件，往復循環運動。車頭電機1零位——上電后系統車頭電機1自動復位，車頭的機械部件定位準確；絲桿電機2零位——點動復位鈕，絲桿電機2移向零位傳感位置，按下該鈕電機2運行，反之則停止運行，到位后電機2自動停止運行。

在正繞圈和反繞圈時，車頭電機1按系統參數高速旋轉繞圈，絲桿電機2按參數設定伺服電機1時刻跟隨運動。

第二組工藝流程與第一組相同，車頭電機3零位——上電后，系統車頭電機3自動復位，車頭的機械部件定位準確；絲桿電機4零位——點動復位鈕，絲桿電機4移向零位傳感位置，按下該鈕電機2運行，反之則停止運行，到位后電機4自動停止運行。

當車頭電機3按照系統參數高速旋轉繞圈時，絲桿電機4按照參數設定，伺服電機3時刻跟隨運動。主機FBs-PLC遵循各組的工藝流程，系統自動分別控制4軸獨立運行。

3 主要參數

根據課題項目的要求，系統采用高性能三相混合式步進電機的Q3HB64MA/B等角度恒力矩細分型驅動器。驅動電壓為DC40 V，電流1～5.8 A可調。該驅動器采用類似伺服控制原理的電路，使電機低速運行平穩，無震動和噪聲。在電機高速運行時，力距大大高于五相混合式步進電機。其主要引腳功能是，PU為脈沖信號，DR為方向控制信號，高電平為正向旋轉，低電平為反向旋轉。

步進電機1，2，3，4的最高轉速為5 000 r/min，步進電機驅動器的細分為1 000脈沖/轉，FBs-PLC輸出（DO）Y0、Y2、Y4、Y6的最高輸出頻率為5 000 r/min×1 000脈沖/轉=50 000 000脈沖/分=83.333 kHz。

4 總結

如果配合內建的HHSC作回授，尚可作閉環控制，對諸如元件磨損、老化、不良等作檢測和相對的補償，以獲得更精準的控制。同時，還提供定位專用語言配合PLC梯形圖的便利指令，以便輕易實現精密定位控制。在人機操作界面方面，通過MODEM撥號可以連接在海外的PLC，直接在辦公室就可以實現無線遠方修改程式、模擬控制、診誤和監視工作，會使工作變得更加人性化。從技術研發的角度看，很多國家都很重視PLC的開發設計，并將它的發展作為衡量科技發展的重要指標之一。