基于TwinCAT的機(jī)電傳動(dòng)控制實(shí)驗(yàn)平臺(tái)設(shè)計(jì)＊

龐黨鋒，杜慧起，崔健

基于TwinCAT的機(jī)電傳動(dòng)控制實(shí)驗(yàn)平臺(tái)設(shè)計(jì)＊

龐黨鋒，杜慧起，崔健

（天津中德應(yīng)用技術(shù)大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，天津 300350）

隨著工業(yè)自動(dòng)化程度不斷提高，機(jī)電傳動(dòng)控制技術(shù)在得到了快速發(fā)展和廣泛應(yīng)用。設(shè)計(jì)了一種基于TwinCAT的機(jī)電傳動(dòng)控制實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，主要包括嵌入式PC、伺服驅(qū)動(dòng)器、變頻器、伺服電機(jī)和變頻器，平臺(tái)以EtherCAT總線進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊。實(shí)驗(yàn)平臺(tái)可進(jìn)行機(jī)電控制系統(tǒng)的安裝、編程和調(diào)試，通過(guò)實(shí)際教學(xué)驗(yàn)證，實(shí)驗(yàn)平臺(tái)運(yùn)行可靠、擴(kuò)展靈活。

機(jī)電控制；TwinCAT；伺服驅(qū)動(dòng)；實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

1 引言

“機(jī)電傳動(dòng)控制技術(shù)”是工科院校機(jī)械設(shè)計(jì)及其自動(dòng)化和機(jī)械電子工程專業(yè)的重要課程，該課程主要培養(yǎng)學(xué)生機(jī)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)應(yīng)用能力，對(duì)學(xué)生設(shè)計(jì)能力和動(dòng)手實(shí)踐能力要求較高。

針對(duì)現(xiàn)有市場(chǎng)相關(guān)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)開(kāi)放性不高、實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目設(shè)計(jì)靈活性低等特點(diǎn)，本文設(shè)計(jì)了基于TwinCAT的機(jī)電傳動(dòng)控制實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，該平臺(tái)具有開(kāi)放性高、可開(kāi)發(fā)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目類型多和易集成等特點(diǎn)，學(xué)生通過(guò)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的設(shè)計(jì)、安裝、編程和系統(tǒng)調(diào)試可以提高設(shè)計(jì)能力和動(dòng)手操作能力，對(duì)提高人才培養(yǎng)質(zhì)量具有積極意義。

2 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)硬件組成

實(shí)驗(yàn)平臺(tái)硬件部分主要包括編程計(jì)算機(jī)、嵌入式控制器PC、伺服驅(qū)動(dòng)器、變頻器和伺服、交流電機(jī)。計(jì)算機(jī)與嵌入式PC通過(guò)以太網(wǎng)連接，伺服驅(qū)動(dòng)器與嵌入式PC的網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)展模塊EK1110通過(guò)EtherCAT總線連接，變頻器與嵌入式PC以數(shù)字量和模擬量信號(hào)連接，可實(shí)現(xiàn)三相交流異步電動(dòng)機(jī)的模擬量控制，旋轉(zhuǎn)編碼器反饋伺服電動(dòng)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)，實(shí)驗(yàn)平臺(tái)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)結(jié)構(gòu)框圖

3 機(jī)電傳動(dòng)控制實(shí)驗(yàn)平臺(tái)設(shè)計(jì)

3.1 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)三維圖

為了提高實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的開(kāi)發(fā)效率，在電氣元件的安裝前利用EPLAN軟件設(shè)計(jì)的機(jī)電傳動(dòng)控制實(shí)驗(yàn)平臺(tái)三維模型如圖2所示。EPLAN是電氣計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)的一款軟件，可以完成電氣部分規(guī)劃、項(xiàng)目管理及工程設(shè)計(jì)[1]。其中EPLAN Pro Panel可面向電氣項(xiàng)目的柜內(nèi)部安裝布局過(guò)程的三維模擬設(shè)計(jì)。三維模型圖對(duì)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)尺寸和電氣元器件的布局進(jìn)行了確定，將作為實(shí)物裝配的依據(jù)。

①—電流表、電壓表；②—指示燈；③—按鈕；④—高壓端子排；⑤—斷路器；⑥—西門子S7-200PLC；⑦—熔斷器；⑧—LSLV-C100變頻器；⑨—LSLV-C100變頻器；⑩—倍福嵌入式PC控制器；?—低壓端子排；?—伺服電機(jī)；?—交流電機(jī)。

3.2 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)電氣原理圖

實(shí)驗(yàn)平臺(tái)電氣原理圖主要包括主電路、變頻器驅(qū)動(dòng)三相交流異步電動(dòng)機(jī)電路和伺服電機(jī)控制。伺服電機(jī)控制原理如圖3所示，SF1、SF2為L(zhǎng)S伺服驅(qū)動(dòng)器，控制伺服電機(jī)運(yùn)動(dòng)；M1、M2為伺服電機(jī)；BMQ1、BMQ2為編碼器；KM1為安全門上的接近開(kāi)關(guān)，起到安全保護(hù)作用。從伺服電源斷路器引出接線后，兩臺(tái)伺服驅(qū)動(dòng)器并聯(lián)供電，伺服驅(qū)動(dòng)器之間的網(wǎng)絡(luò)使用EtherCAT網(wǎng)絡(luò)協(xié)議與倍福CX9020控制器進(jìn)行通信。KM1、KM2被接近傳感器所控制，當(dāng)安全門打開(kāi)時(shí)，電機(jī)停止工作。

圖3 伺服電機(jī)控制電氣原理圖

4 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)控制程序設(shè)計(jì)

4.1 TwinCAT軟件與EtherCAT總線

TwinCAT軟件是的基于PC平臺(tái)和Windows操作系統(tǒng)的控制軟件，主要包括System Manager和PLC Control兩部 分[2]。EtherCAT支持多種網(wǎng)絡(luò)拓?fù)漕愋?，包括?shù)型、星型、線型等，上位機(jī)、控制器和驅(qū)動(dòng)器之間可實(shí)現(xiàn)一網(wǎng)到底[3]?？偩€結(jié)構(gòu)不受限于集線器或級(jí)聯(lián)交換機(jī)數(shù)量，所以，有利于多軸控制實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)功能擴(kuò)展。EtherCAT具有網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)靈活、系統(tǒng)配置簡(jiǎn)單和操作直觀簡(jiǎn)便等特點(diǎn)，伺服參數(shù)配置如圖4所示，通過(guò)TwinCAT可以對(duì)伺服電機(jī)運(yùn)行速度、位移和加速度等參數(shù)進(jìn)行配置。

圖4 伺服參數(shù)配置圖

4.2 控制程序流程

實(shí)驗(yàn)平臺(tái)主要可以完成、軸方向伺服軸控制及三相異步交流電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速控制，伺服控制程序流程如圖5 所示。

圖5 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)控制流程圖

實(shí)驗(yàn)平臺(tái)操作時(shí)，首先對(duì)伺服驅(qū)動(dòng)器使能上電，此時(shí)將顯示伺服軸當(dāng)前位置，當(dāng)前位置不在零位時(shí)復(fù)位歸0，根據(jù)控制要求在人機(jī)界面HMI設(shè)定軸移動(dòng)的位置和速度。啟動(dòng)電機(jī)直到運(yùn)動(dòng)到目標(biāo)位置，此時(shí)將顯示當(dāng)前軸的實(shí)際位置并顯示在HMI上[4]，通過(guò)運(yùn)行狀態(tài)和反饋的數(shù)據(jù)可以驗(yàn)證控制效果。

5 結(jié)束語(yǔ)

機(jī)電傳動(dòng)控制技術(shù)是工業(yè)自動(dòng)化設(shè)備主要核心技術(shù)，為了提高目前市場(chǎng)現(xiàn)有機(jī)電傳動(dòng)控制實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的可擴(kuò)展性和實(shí)驗(yàn)效果，設(shè)計(jì)了一套基于TwinCAT的開(kāi)放式實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。實(shí)驗(yàn)平臺(tái)主要包括倍福嵌入式、LS伺服驅(qū)動(dòng)器、LS變頻器等，可實(shí)現(xiàn)伺服控制系統(tǒng)和交流調(diào)速系統(tǒng)安裝、編程和調(diào)試，實(shí)驗(yàn)平臺(tái)直觀方便、擴(kuò)展靈活、安裝配置方便，會(huì)獲得一定的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。

［1］龐黨鋒，王利強(qiáng)，馬前帥.工件分揀生產(chǎn)線控制系統(tǒng)分析與設(shè)計(jì)［J］.科技與創(chuàng)新，2018（13）：115-116.

［2］德國(guó)倍福電氣有限公司.TwinCAT PLC編程手冊(cè)［M］.北京：德國(guó)倍福電氣有限公司北京代表處.

［3］林思引.基于EtherCAT工業(yè)以太網(wǎng)的伺服運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)［D］.廣東：華南理工大學(xué)，2013.

［4］陳濤.多軸運(yùn)動(dòng)控制實(shí)驗(yàn)臺(tái)設(shè)計(jì)與誤差分析［D］.湖南：中南林業(yè)科技大學(xué)，2019.

TP23

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2020.18.052

2095－6835（2020）18－0130－02

教育部產(chǎn)學(xué)研合作協(xié)同育人項(xiàng)目（編號(hào)：201802204043，2018010860 08）

龐黨鋒（1988—），男，陜西咸陽(yáng)人，碩士，實(shí)驗(yàn)師，主要研究方向?yàn)橹悄芸刂?、工業(yè)機(jī)器人技術(shù)及應(yīng)用。

〔編輯：張思楠〕