倍福Beckhoff在步進電機控制中的應(yīng)用研究

運動控制器采用基于嵌入式PC的模塊化運動控制器，型號為CX1020，處理器為Intel Celeron MULV1 GHz，內(nèi)存為256 MB／512 MB／1 024 MB，操作系統(tǒng)為Microsoft Windows XP Embedded或MicrosoftWindows CE。該運動控制器應(yīng)用于中等規(guī)模的控制系統(tǒng)中，自帶兩個工業(yè)以太網(wǎng)EtherCAT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。軟件開發(fā)平臺TwinCAT PLC(The Windows Control and Automation Technology PLC)使用符合采用IEC61131-3的編程語言編程，運動控制功能庫符合PLCopen標(biāo)準(zhǔn)，具有通用的、開放式軟件接口。

EtherCAT是與PC控制技術(shù)相匹配的通訊系統(tǒng)，以Beckhoff開發(fā)的實時工業(yè)以太網(wǎng)解決方案，其特點是性能優(yōu)越、操作簡便。該技術(shù)采用標(biāo)準(zhǔn)的以太網(wǎng)幀，支持因特網(wǎng)技術(shù)。以太網(wǎng)可以直接到達端子，以太網(wǎng)過程接口可以從2位擴展到64個字節(jié)；350μs處理12 000個數(shù)字量I／O；100μs處理100個電機軸等。EtherCAT適合于多種網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)，可用于設(shè)備控制、機器人、嵌入式系統(tǒng)、樓宇自動化、運輸系統(tǒng)等。

步進電機歷史悠久，爆發(fā)力好，便于控制并且扭矩大，在控制領(lǐng)域內(nèi)占有相當(dāng)重要的地位。步進電機是一種將電脈沖轉(zhuǎn)化為角位移的執(zhí)行機構(gòu)。當(dāng)步進驅(qū)動器接收到一個脈沖信號，它就驅(qū)動步進電機按設(shè)定的方向轉(zhuǎn)動一個固定的角度(稱為“步距角”)。它的旋轉(zhuǎn)是以固定的角度一步一步運行的?？梢酝ㄟ^控制脈沖個數(shù)來控制角位移量，從而達到準(zhǔn)確定位的目的。同時可以通過控制脈沖頻率來控制電機轉(zhuǎn)動的速度和加速度，從而達到調(diào)速的目的。我們采用北京四通的兩相混合式步進電機，型號為28BYG250C，步距角為0.9／1.8，靜態(tài)相電流0～7 A，保持轉(zhuǎn)矩0.065 N／m，定位轉(zhuǎn)矩0.005 N／m，轉(zhuǎn)動慣量12 gcm2。

KL2531和KL2541是集成的步進電機控制器，是Beckhoff產(chǎn)品中用于傳統(tǒng)驅(qū)動器高性價比的產(chǎn)品。KL2531和KL2541均可以提供和小型伺服驅(qū)動器相近似的性能，提供了最大64個最大中間步，并提供一路20 kHz的脈沖，一路脈沖驅(qū)動一臺步進電機。KL2531總線端子用于較低性能場合，該端子是為簡單的整合到24 V直流電壓控制系統(tǒng)而設(shè)計的，每相尖峰電流1.5 A。KL2541可以提供高達5 A的最大電流，能夠驅(qū)動扭矩高達5 Nm的步進電機。端子的輸出階段，有以溫度過高警報并且關(guān)斷的形式的過載保護，同時還有短路保護功能，診斷數(shù)據(jù)可以通過控制器的過程映像區(qū)來取得，自帶兩路高速輸入通道，快速準(zhǔn)確記錄當(dāng)前位置，或?qū)崿F(xiàn)急停功能。輸出脈沖可以通過“EnableBit”啟動，電機的電流可以通過參數(shù)值來進行設(shè)定。對電機的配置可以通過軟件來完成，這樣總線端子能容易的進行更換，而且參數(shù)可以存儲或者被轉(zhuǎn)移到下一個工程，無需通過電位器或者指撥開關(guān)來設(shè)定。

3 軟件配置

Beckhoff公司基于PC平臺的實時核技術(shù)可以將安裝了Microsoft公司W(wǎng)indowsNT／2000／XP／CE.NET／XP嵌入式操作系統(tǒng)的普通PC和Beckhoff公司的嵌入式控制系統(tǒng)CX1000改造為具有實時能力的PC控制器。Beckhoff公司基于PC平臺的實時核技術(shù)通過與3S公司提供的TwinCAT編程環(huán)境相結(jié)合，以及系統(tǒng)管理器對Beckhoff公司各種I／O設(shè)備的驅(qū)動程序相結(jié)合，使TwinCAT CP、I／O、PLC、PTP和NCI構(gòu)成了一套完整的基于PC平臺的實時控制器解決方案。

TwinCAT軟件具備四套獨立運行的PLC實時核，每套PLC都可分配4個任務(wù)，并且可以將最小任務(wù)周期時間設(shè)置為50μs(取決于所使用的CPU處理能力)。TwinCAT PLC控制是用于PLC的完整開發(fā)環(huán)境，所使用的編輯器和調(diào)試功能建立在高級編程語言開發(fā)環(huán)境基礎(chǔ)之上，在TwinCAT PLC中可以使用IEC61131-3的五種不同語言創(chuàng)建PLC程序。TwinCAT實時任務(wù)運行的載荷率(TwinCAT實時任務(wù)運行時間與操作系統(tǒng)運行時間的比率)可調(diào)范圍為10％～90％。并在此基礎(chǔ)上，將伺服控制中的PTP、NCI和HMI技術(shù)拓展到系統(tǒng)管理器和TwinCAT編程環(huán)境中。

4 結(jié) 語

該設(shè)計方案已經(jīng)通過實驗階段進入正式調(diào)試階段，在該過程中，可以發(fā)現(xiàn)倍福產(chǎn)品有很多優(yōu)點，占用的空間小?，F(xiàn)場總線端子的主要特點是性價比高，質(zhì)量可靠，結(jié)構(gòu)緊湊，堅固耐用，而且安裝和接線非常方便。EtherCAT技術(shù)具有高度的通用性，基于EtherCAT的系統(tǒng)可以大大縮短研發(fā)速度。