倍福Beckhoff在步進(jìn)電機控制中的應(yīng)用研究

該系統(tǒng)為某主機電控系統(tǒng)，完成對光束的準(zhǔn)直過程中的參數(shù)診斷、數(shù)據(jù)采集、閉環(huán)控制等實時控制功能以及與主控系統(tǒng)的通信功能。步進(jìn)電機以性價比高，實時效果好，不需要昂貴的反饋系統(tǒng)著稱，該系統(tǒng)中采用了一千多個步進(jìn)電機來實現(xiàn)對光束的準(zhǔn)直。神光原型采用控制卡控制大量步進(jìn)電機，控制卡控制步進(jìn)電機沒有負(fù)載位置的反饋信號，實時效果差，故障定位非常困難；試驗中采用西門子PLC(Programmable Logic Controller，可編程邏輯控制器)控制這些電機可靠性好，但控制少量步進(jìn)電機時比較簡單，控制大量步進(jìn)電機時時序復(fù)雜，接線復(fù)雜，成本高，調(diào)試?yán)щy。最終方案采用德國Beckhoff公司的自動化產(chǎn)品，如嵌入式控制器，現(xiàn)場總線端子、步進(jìn)電機總線端子等設(shè)備控制電機，該方案具有成本較低、操作簡便、占用空間小等優(yōu)點，也提高了系統(tǒng)的性能和可靠性，現(xiàn)已通過試驗和評審進(jìn)入調(diào)試階段。

1 步進(jìn)電機運動控制系統(tǒng)總體設(shè)計思想

電控系統(tǒng)的總體設(shè)計思想為：控制系統(tǒng)設(shè)計應(yīng)分別滿足現(xiàn)場獨立控制與遠(yuǎn)程集中控制，各子系統(tǒng)具備對系統(tǒng)各類設(shè)備的狀態(tài)進(jìn)行實時監(jiān)測的功能，包括故障定位檢測和報警；具備對系統(tǒng)各設(shè)備進(jìn)行參數(shù)設(shè)置、參數(shù)采集、存儲、處理等功能。主控計算機位于主控制室內(nèi)，通過1 000 Mb／s光纖網(wǎng)絡(luò)與分控計算機通信，分控計算機通過光纖交換機與控制設(shè)備采用工業(yè)以太網(wǎng)通信，其網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D如圖1所示。

2 步進(jìn)電機運動控制系統(tǒng)設(shè)計方案

2.1 倍福步進(jìn)電機總體控制架構(gòu)設(shè)計

采用基于嵌入式PC的模塊化運動控制器，型號為CX1020，運動控制器本身集成雙Ethernet接口，其中一個向上連接到現(xiàn)場工業(yè)以太網(wǎng)，接受運動控制的調(diào)用指令，另一個可以作為本地調(diào)試的網(wǎng)絡(luò)接口。運動控制器、運動控制網(wǎng)絡(luò)接口部件、步進(jìn)電機驅(qū)動器通過硬實時的超高速以太網(wǎng)EtherCAT(Ethernet for Controland Automation Technology)構(gòu)成運動控制網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，采用EtherCAT取代以往的現(xiàn)場總線傳輸技術(shù)，可以顯著減少控制系統(tǒng)CPU的負(fù)荷，而且無需任何智能主站卡，適合集中式與分布式控制體系。

末端端子與底層EtherCAT總線耦合器端子BK1120相連，在本機架內(nèi)總線耦合器通過K-Bus總線接口連接電機驅(qū)動總線端子KL2531和KL2541，步進(jìn)電機直接連接在這兩個端子上，如果使用KL2541端子，還需要在機架上安設(shè)數(shù)字輸入端子KL1002，用于接人步進(jìn)電機限位信號，最后在機架末端安放BK9010總線終端端子。

每級機架上總線耦合器BK1120的另一網(wǎng)絡(luò)端口向下依次級聯(lián)另一機架上的總線耦合器，最后從控制器到各級機架網(wǎng)絡(luò)節(jié)點形成一個總線型的控制網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。KL2531和KL2541是步進(jìn)電機總線端子，提供一路20 kHz的脈沖，可以各帶一個步進(jìn)電機。步進(jìn)電機總體控制架構(gòu)如圖2所示。

具體的控制器和通訊模塊等數(shù)量配置見表1。

2.2 硬件組成

電機控制系統(tǒng)主要由控制服務(wù)器、運動控制器、電源模塊、Ethernet交換數(shù)據(jù)的通訊模塊和總線端子等組成。

2.3 重要器件概述