小型PLC脈沖運動控制技術(shù)研究

王明昕?許志明?苗文雪?張博?黃賽偉

摘? 要：脈沖接口的運動控制PLC相比較總線型在配置使用上更為簡單，降低了對現(xiàn)場人員的要求。總線型運動控制PLC需要協(xié)議棧支持，如CANopen主站，并且需要開發(fā)總線組態(tài)配置軟件界面。相比較而言，脈沖型運動控制PLC開發(fā)難度和工作量都相對較小。因此，在傳統(tǒng)小型PLC軟硬件架構(gòu)基礎(chǔ)上提出了一種實現(xiàn)脈沖運動控制的設(shè)計方案。該小型運動控制PLC具有四軸脈沖運動控制，并支持直線、圓弧插補功能。經(jīng)過驗證，達到了預(yù)期的效果。

關(guān)鍵詞：PLC;運動控制;脈沖;插補

中圖分類號：TP273? ? ? ? ? 文獻標識碼：A文章編號：2096-4706（2022）06-0046-05

Research on Pulse Motion Control Technology on Small PLC

WANG Mingxin1， XU Zhiming2， MIAO Wenxue3， ZHANG Bo3， HUANG Saiwei3

（1.Nanjing Atekon Atuomation Technology Co.， Ltd.， Nanjing? 210012， China; 2.Nanjing Atekon Intelligent Control Technology Co.， Ltd.， Nanjing? 210012， China; 3.Atekon Technology Co.， Ltd.， Nanjing? 210012， China）

Abstract： Motion control PLC with pulse interface is more convenient in configuration and using than the bus-type， that reduces the requirement for operator on the scene. Bus-Type motion control PLC needs protocol stack support such as CANopen master stack， and it needs develop bus configuration software interface. As a comparison， the difficulty and workload of pulse-type motion control PLC development are relatively small. Therefore， a kind of design scheme to realize pulse motion control based on hardware and software architecture basis of traditional small PLC is proposed. The small motion conntrol PLC has four axises pulse motion conntrol， and it supports straight line and circle interpolation functions. Through verification， it achieves the expected result.

Keywords： PLC; motion control; pulse; interpolation

0? 引? 言

運動控制器性能的好壞直接對自動化系統(tǒng)整體性能發(fā)揮起決定作用[1，2]，但是對于一些要求不高的應(yīng)用場合，價格較高的運動控制器反而不是最優(yōu)方案。小型PLC由于其可靠的性能以及相對較低的價格，在自動化市場上的使用量巨大。但是傳統(tǒng)PLC主要應(yīng)用于邏輯控制和過程控制，而在小型自動化設(shè)備行業(yè)，如產(chǎn)線自動化、搬運上下料、印刷包裝機械等應(yīng)用場合，控制伺服軸數(shù)不多、一般做定位使用，對軌跡精度要求不高，經(jīng)濟實用的小型運動控制PLC相比較運動控制器有較大的優(yōu)勢。

基于成本考慮，有些技術(shù)實力較強的用戶選用市場常見的小型PLC，如三菱F3X、西門子S7-200等，使用PLC編程語言自己編寫項目上要用的運動控制功能[3，4]，既增加了開發(fā)的復(fù)雜性，也難以達到較好的運動控制效果，只能在一些相對簡單運動控制的場合使用。

部分小型PLC具有高速脈沖輸出功能，可以根據(jù)用戶設(shè)定的頻率和脈寬輸出指定數(shù)量的脈沖，常用于簡單的步進電機控制[5，6]。但是對于運動控制來說，需要PLC周期性的進行多個軸的運動控制計算，并把解算出的脈沖給定在每周期及時準確的輸出，同時軟件需要對軸的運行狀態(tài)和指令進行管理，這要求PLC的軟硬件具備更高的性能。

傳統(tǒng)的小型PLC用戶程序的運行一般是循環(huán)掃描，分為輸入采樣、程序執(zhí)行和輸出刷新三個階段，程序的掃描周期會隨著程序量的增大而變化。盡管較多PLC編程時可以選擇建立周期任務(wù)，但是在底層其一般是通過軟定時器來實現(xiàn)，實時性不高。因此傳統(tǒng)的PLC在底層軟件上無法滿足運動控制的實時性要求。

在硬件上，隨著運動控制技術(shù)的發(fā)展，F(xiàn)PGA、ARM、DSP、專用芯片等逐漸成為運動控制器的核心部件，并日益朝著開放式方向發(fā)展[7，8]。在一些傳統(tǒng)小型PLC上，其CPU模塊一般不采用FPGA/CPLD來處理高速脈沖的輸入輸出，或者是有的集成了FPGA/CPLD，但是在程序設(shè)計上只是為了滿足脈沖的輸入輸出，無法滿足插補運動控制的要求。

傳統(tǒng)的小型PLC大多數(shù)都不支持運動控制功能，尤其是直線、圓弧插補等高級功能。在一些對軌跡精度要求不高、軸數(shù)不多的運動控制應(yīng)用場合，出于成本的考慮一般不會選用較貴的運動控制器，而支持運動控制、經(jīng)濟可靠的小型PLC是最佳選擇。因此，在現(xiàn)有傳統(tǒng)小型PLC軟硬件架構(gòu)基礎(chǔ)上，提出一種運動控制改造方案，對軟件架構(gòu)進行調(diào)整，并設(shè)計實時任務(wù)以滿足運動控制程序的執(zhí)行;增加CPLD，并在功能和與處理器接口機制上針對脈沖運動控制插補運動進行設(shè)計。該小型運動控制PLC支持四個脈沖軸，具備直線、圓弧插補功能。802F7ABF-8692-4F7E-97A3-D0100F551BBA

1? 運動控控制PLC硬件設(shè)計

傳統(tǒng)小型PLC的CPU模塊本身大多不具備高速IO，一般通過擴展模塊來實現(xiàn)。這種方式雖然可以很靈活，可以根據(jù)實際需要來選擇是否采用高速脈沖輸出擴展模塊，但是其缺點也很明顯，那就是CPU模塊訪問擴展模塊需要通過PLC的內(nèi)部擴展總線通信來實現(xiàn)，速度和效率遠低于CPU模塊本身的IO，尤其當擴展模塊較多時更為明顯，這種方式難以滿足實時性要求較高的運動控制需求。也有廠家，如臺達的DVP10MC，其擴展模塊本身就是一個獨立的運動控制器，擁有獨立的編程軟件，運動控制程序也運行在此擴展模塊上，這種方式相當于又開發(fā)了一套編程軟件和獨立的運動控制器，雖然滿足了運動控制性能，但是整個系統(tǒng)設(shè)計較為復(fù)雜，并且對于使用者來說需要學(xué)習兩套編程軟件，而且這種架構(gòu)的PLC價格也不經(jīng)濟。因此，在CPU模塊硬件上實現(xiàn)的本地高速IO，無論在硬件還是在軟件上，都是最有利于實現(xiàn)運動控制功能。

為了實現(xiàn)對運動控制的支持，在保持PLC擴展形式和其他接口都不變的情況下，在硬件設(shè)計上，在CPU模塊內(nèi)部采用一塊CPLD芯片用來實現(xiàn)脈沖運動控制所需要的高速IO。CPLD的加入既擴展了外部接口資源，同時也減輕了MCU的處理負擔。為了縮短MCU與CPLD的交互時間，利用MCU本身自帶的外設(shè)并行總線與CPLD通信，其速度可以保證MCU在一個指令周期完成對CPLD的訪問。

CPU模塊內(nèi)部硬件系統(tǒng)框架及對外擴展如圖1所示。

利用CPLD可以靈活的實現(xiàn)高速脈沖輸出，也能對高速脈沖輸入進行計數(shù)、測頻等處理。在本方案中，MCU負責處理運動指令，實現(xiàn)速度規(guī)劃和粗插補運算。CPLD接收MCU發(fā)過來的粗插補段，并對粗插補段進行精插補后將脈沖均勻的通過高速輸出口輸出高速脈沖串。

方案中，CPLD擴展8路晶體管漏型高速脈沖輸出口（HSDO），最大輸出頻率200 KHz，在用于運動控制時，可以支持四路脈沖運動控制，高速輸出口的分配如表1所示。

2? 運動控控制PLC軟件設(shè)計

2.1? 軟件架構(gòu)設(shè)計

運動控制功能是通過運動指令的形式封裝起來以功能塊的形式提供給用戶編程使用，因此運動控制功能的應(yīng)用是與指令執(zhí)行形式密切相關(guān)的。在方案中，運動控制PLC基于原有PLC的runtime內(nèi)核開發(fā)，編程方式保持不變，可以使用梯形圖或者ST結(jié)構(gòu)化文本語言編寫用戶程序。

在實際應(yīng)用中，一些諸如平面切割設(shè)備等類似的場合，需要較多的加工線段，為了提高效率，往往需要對運動指令進行前瞻和過渡處理，而這些功能往往只有運動控制器才具備。為了能滿足這些應(yīng)用場合的需求，在運動控制軟件架構(gòu)設(shè)計中，運動控制指令可以被放入一個最多一個存放100條指令的BUFF中，運動指令按照在程序中被觸發(fā)的先后順序被壓入BUFF。有了指令BUFF，就能方便地對指令進行前瞻和過渡處理。指令BUFF采用環(huán)形緩存機制設(shè)計，如圖2所示。

運動指令的管理、解析、預(yù)處理、執(zhí)行、狀態(tài)機管理等為應(yīng)用層，均基于PLC核心的runtime運行時。運動控制程序在運行的時候，既需要與PLC runtime運行時也需要和CPLD進行及時的交互。

基于PLC runtime的系統(tǒng)軟件架構(gòu)設(shè)計如圖3所示。

2.2? 系統(tǒng)任務(wù)設(shè)計

MCU中運行了一個精簡的輕量級實時操作系統(tǒng)，支持32個搶占優(yōu)先級（0-31，31的優(yōu)先級最低）。傳統(tǒng)PLC的主任務(wù)掃描周期與程序量、MCU時鐘頻率、系統(tǒng)配置等因素有關(guān)，其無法滿足實時較高的運動控制要求[9]。因此，為了滿足運動控制需求，設(shè)計兩個高優(yōu)先級任務(wù)，系統(tǒng)任務(wù)設(shè)計如表2所示。

運動控制任務(wù)是核心任務(wù)，其承擔著執(zhí)行運動控制的核心插補運算的重要任務(wù)，因此這里賦予其最高的優(yōu)先級。運動預(yù)處理任務(wù)將buff中的指令進行預(yù)處理以方便之后的運動控制任務(wù)執(zhí)行，減輕了運動控制核心任務(wù)的負擔。

2.3? 運動控制預(yù)處理任務(wù)設(shè)計

運動控制預(yù)處理任務(wù)主要與PLC runtime對接，讀取PLC程序中激活的運動指令。預(yù)處理任務(wù)中設(shè)計了兩級指令BUFF，也采用環(huán)形緩存方式設(shè)計。從PLC程序中獲取的運動指令首先放入BUFF1，如果BUFF1放滿，則停止從PLC runtime中獲取新的運動指令。

預(yù)處理任務(wù)讀取BUFF1，對運動指令進一步解析并根據(jù)需要進行前瞻及運動軌跡過渡處理。處理完的指令放入BUFF2供運動控制任務(wù)執(zhí)行。

2.4? 運動控制任務(wù)設(shè)計

運動控制任務(wù)讀取BUFF2中運動指令，進行速度規(guī)劃，并執(zhí)行插補運算。

本運動控制PLC采用MCU+CPLD的兩級插補方案，MCU中運動控制任務(wù)負責粗插補，CPLD承擔的精插補的工作。從CPU耗費時間來看，粗插補的運算量較大，而精插補運算量相對較小。但是精插補對時間的準確性要求非常高，如果用CPU實現(xiàn)，需要一個周期很小的定時器，而且周期也會不斷變化，這樣會消耗大量CPU的計算時間，造成CPU沒有時間運行其他任務(wù)或者是無法執(zhí)行更復(fù)雜的運動控制計算。對CPLD來說，實現(xiàn)精插補只需要較少的邏輯資源、并且可以實現(xiàn)較高的脈沖輸出頻率[10]。

CPLD精插補的工作就是將每周期運動控制任務(wù)發(fā)來的脈沖給定通過高速脈沖輸出口均勻且精確的輸出，CPLD如何獲取粗插補段影響著實際的加工效果，尤其對于精度要求較高的加工應(yīng)用。李宏勝、胡呈祖等將CPLD/FPGA的一個輸出口接到處理器的外部中斷腳，在數(shù)據(jù)處理完成后，CPLD/FPGA通過輸出口觸發(fā)處理器產(chǎn)生外部中斷使得處理器進入中斷服務(wù)程序，在中斷程序中將下一個插補段發(fā)給CPLD/FPGA[11]。但是考慮到操作系統(tǒng)的中斷進入、執(zhí)行、退出等均要消耗的CPU時間，尤其是對于主頻不是很高的MCU來說，消耗的時間會更長，這種方式使得CPLD在這段時間處于空閑，不利于電機平穩(wěn)運動。因此為保證運動控制的軌跡精度及更好的運行平穩(wěn)性，CPLD中設(shè)計了具備兩個32位寄存器的BUFF，這兩個寄存器能存放兩個粗插補段。其中一個用于存放正在加工中的插補段，另一個存放下一個待執(zhí)行的粗插補段。這種設(shè)計使得CPLD可以連續(xù)執(zhí)行插補給定，不再受到MCU中斷處理時間的影響。802F7ABF-8692-4F7E-97A3-D0100F551BBA

為了協(xié)調(diào)運動指令對軸的占用和運行，需要對軸的運行狀態(tài)進行管理，運動控制PLC內(nèi)部運行的狀態(tài)機所涉及的幾種狀態(tài)如表3所示。

運動控制任務(wù)執(zhí)行流程如圖4所示。

3? 運動控制驗證

運動控制PLC在三軸運動控制平臺上進行驗證，平臺的X-Y軸采用松下A6交流伺服，Z軸使用臺達A2交流伺服，并在Z軸末端上夾持一簽字筆用于描繪實際運行軌跡。

運動控制插補周期設(shè)置為4ms，脈沖當量設(shè)置為0.001 mm/pls，采用脈沖單位及T型加減速曲線，加減速時間設(shè)置為100 ms。運動控制程序使用采用直線、圓弧指令，運動控制指令編程如圖5所示。

實驗所用三軸運動平臺及實際加工測試結(jié)果如圖6、7、8所示。

從實際加工效果來看，運動指令執(zhí)行過程中運行平穩(wěn)，圓弧指令走出的整圓運動軌跡光滑，取得了比較理想的效果。

4? 結(jié)? 論

本文介紹了在傳統(tǒng)小型PLC軟硬件基礎(chǔ)上進行運動控制開發(fā)的一種實現(xiàn)方法，并基于現(xiàn)有的小型PLC基礎(chǔ)上進行實現(xiàn)。本運動控制PLC在硬件上設(shè)計一塊CPLD用于精插補及高速脈沖輸出，并在CPLD獲取MCU插補數(shù)據(jù)時提出一種有別于傳統(tǒng)中斷方法的兩級粗插補BUFF實現(xiàn)方式，提高了電機運行的平穩(wěn)性。在軟件架構(gòu)上基于PLC runtime，通過增加獨立的實時任務(wù)來運行運動控制程序，并在PLC中實現(xiàn)了專業(yè)數(shù)控系統(tǒng)和運動控制器中具有的指令BUFF的執(zhí)行方式，使得小型PLC具備了實現(xiàn)更高級的前瞻和軌跡過渡功能的技術(shù)基礎(chǔ)。

基于上述軟硬件設(shè)計方法實現(xiàn)了運動控制PLC，可以方便復(fù)用PLC的所有資源，并能使用梯形圖和ST等常用PLC編程語言來編寫運動控制程序，方便了自動化工程師的使用。運動控制PLC支持四軸脈沖運動控制，并支持任意兩軸的直線、圓弧插補，經(jīng)過多個客戶現(xiàn)場的試用驗證，其使用方便，運行穩(wěn)定可靠，能滿足客戶的空間定位、二維平面加工等應(yīng)用場合。

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作者簡介：王明昕（1977.11—），男，漢族，安徽淮南人，中級工程師，碩士，研究方向：工業(yè)機器人控制、PLC的運動控制。

收稿日期：2022-02-12802F7ABF-8692-4F7E-97A3-D0100F551BBA