1 引言

本文作者利用黃石市科威自控有限公司的嵌入式plc芯片組，設(shè)計(jì)出了kp3-05m06r型運(yùn)動(dòng)控制器。該控制器集plc、can總線、rs485/232等功能于一體，與步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器或伺服驅(qū)動(dòng)器配套使用，具有對步進(jìn)電機(jī)或伺服電機(jī)進(jìn)行點(diǎn)動(dòng)、定位、脈沖正反插補(bǔ)、脈沖分頻等功能。多個(gè)運(yùn)動(dòng)控制器通過can通信接口互連，其中一臺(tái)運(yùn)動(dòng)控制器作為主站，其余運(yùn)動(dòng)控制器均作從站。該系統(tǒng)可接人機(jī)界面，實(shí)現(xiàn)工藝集中顯示、控制和管理，如配備web服務(wù)器還可實(shí)現(xiàn)控制系統(tǒng)的遠(yuǎn)程監(jiān)控和診斷。

2 運(yùn)動(dòng)控制器的功能

自2005年至今，kp3-05m06r型運(yùn)動(dòng)控制器在紡織、印染行業(yè)現(xiàn)場應(yīng)用了數(shù)千臺(tái)。實(shí)踐證明該款控制器不但性能優(yōu)越，而且使用和維護(hù)非常簡便。其中主要參數(shù)如下：

輸入：5路光耦+1路最高100khz脈沖信號。

輸出：6路繼電器+5路晶體管+1路0～10vdc +1路級連脈沖+1路分頻脈沖。

通信功能：

can接口，波特率160kbit/s，可實(shí)現(xiàn)多個(gè)運(yùn)動(dòng)控制器互連;

串口0，可完成梯形圖下載、監(jiān)控、接字符屏或人機(jī)界面;

串口1，支持三菱fx2n計(jì)算機(jī)鏈接方式格式1的部分主從協(xié)議，按此協(xié)議可實(shí)現(xiàn)本運(yùn)動(dòng)控

制器與fx2n系列plc、操作終端或其他設(shè)備互連，完成信息交換、參數(shù)設(shè)置、異地操作等功能。

控制功能：

脈沖分頻，頻率=輸入脈沖頻率/k，其中4.000≤k<∞，小數(shù)點(diǎn)后有效數(shù)字為3位;

脈沖點(diǎn)動(dòng)，自動(dòng)定位，直線插補(bǔ);

編程語言：

梯型圖語言，與三菱fx2n指令兼容。

3 硬件設(shè)計(jì)方案

3.1 主控制器及外圍電路框圖

主控制器及外圍電路框圖如圖1所示。





 

圖1 主控制器及外圍電路框圖

3.2 從控制器及外圍電路框圖

從控制器及外圍電路框圖如圖2所示。





 

圖2 從控制器及外圍電路框圖

4 軟件設(shè)計(jì)方案 

4.1 主控制器軟件設(shè)計(jì)

主控制器采用嵌入式plc芯片組，完成開關(guān)量輸入輸出、uart0、uart1、can、rs485/232互連和通信功能。基本軟件框架由以下七個(gè)子程序組成。

init-config：端口初始化程序，完成輸入輸出端口配置，中間變量初始化，啟動(dòng)spi。

init-start：上電初始化程序，復(fù)位所有輸出口。

init-set：設(shè)置初始化程序，復(fù)位所有輸出口。

init-run：運(yùn)行初始化程序。

step：指令周期掃描程序

tms：2.5ms周期掃描程序，采樣輸入口狀態(tài)、刷新輸出口狀態(tài)、spi通信報(bào)文的發(fā)送和接收。

scan：演算周期掃描程序，輸入口狀態(tài)濾波，spi通信報(bào)文的解讀。

4.2 從控制器軟件設(shè)計(jì)

從控制器采用c8051f330單片機(jī)，指令運(yùn)算速度高達(dá)25mips。從控制器對輸入脈沖采樣，接受主控制器發(fā)送的命令并進(jìn)行相應(yīng)的處理，輸入脈沖經(jīng)過分頻后，輸出相應(yīng)頻率的脈沖，并將有關(guān)信息發(fā)送給主站控制器。從控制器的作用相當(dāng)于一個(gè)執(zhí)行機(jī)構(gòu)，它接受主控制器的命令執(zhí)行不同的動(dòng)作，并把執(zhí)行的狀態(tài)反饋給主控制器，主要由以下5個(gè)功能程序組成。

start：上電復(fù)位初始化程序，輸入輸出端口配置，復(fù)位中間變量單元，啟動(dòng)spi、int0中斷。

int-int0：外部中斷0服務(wù)程序，對輸入脈沖進(jìn)行分頻處理及脈沖插補(bǔ)。

int-spi：spi中斷服務(wù)程序，spi通信報(bào)文的接收和發(fā)送。

int-t3：定時(shí)器t3中斷服務(wù)程序，監(jiān)控spi通信狀態(tài)和主程序執(zhí)行狀態(tài)。

main：主程序，解讀spi通信報(bào)文，完成脈沖點(diǎn)動(dòng)、定位。

4.3主從控制器的組合設(shè)計(jì)

主、從控制器之間以spi接口連接，spi通訊速率為500kbit/s，因此有利于提高系統(tǒng)的快速性和實(shí)時(shí)性。

主站采用定時(shí)發(fā)送/接收模式，嵌入程序初始化時(shí)，啟動(dòng)spi發(fā)送，定時(shí)時(shí)間到，先接收一字節(jié)數(shù)據(jù)，然后發(fā)送下一字節(jié)數(shù)據(jù)。當(dāng)所有報(bào)文發(fā)送完成后，暫停發(fā)送等待主程序處理報(bào)文，報(bào)文處理完后才啟動(dòng)下一輪發(fā)送。

從站采用中斷接收/發(fā)送模式，進(jìn)入中斷服務(wù)程序后，先接收一字節(jié)數(shù)據(jù)，然后發(fā)送一字節(jié)數(shù)據(jù)，當(dāng)所有報(bào)文接收完成后，對應(yīng)的有相同字節(jié)的報(bào)文發(fā)送完成。此時(shí)從站停止接收報(bào)文，等待主程序處理接收到的報(bào)文，報(bào)文處理完后，又啟動(dòng)下一輪報(bào)文接收過程。

報(bào)文結(jié)構(gòu)：stx+報(bào)文內(nèi)容+etx+crc。

stx：報(bào)文起始代碼，固定為02h。

報(bào)文內(nèi)容：起始2個(gè)字節(jié)為命令字對應(yīng)的ascii碼，以區(qū)別不同的報(bào)文，后面為報(bào)文實(shí)際 數(shù)據(jù)，全部采用ascii碼。

etx：報(bào)文結(jié)束代碼，固定為03h。

crc：校驗(yàn)和，報(bào)文內(nèi)容所有字節(jié)相加后再加etx的數(shù)值，然后轉(zhuǎn)換成ascii碼。

5 應(yīng)用舉例

5.1控制設(shè)備名稱

控制設(shè)備名稱：4套色圓網(wǎng)印花機(jī)控制系統(tǒng)。

5.2技術(shù)要求

同步傳動(dòng)包括兩部分：主傳動(dòng)同步主要是進(jìn)布電機(jī)與超喂電機(jī)、印花電機(jī)、烘房電機(jī)、立柱烘焙電機(jī)(含立柱烘焙電機(jī)與落布電機(jī)等單元之間的同步)之間的同步傳動(dòng);分同步傳動(dòng)則是實(shí)現(xiàn)印花電機(jī)與網(wǎng)頭分電機(jī)之間的同步傳動(dòng)，要求同步精度高。

電控系統(tǒng)由主軸運(yùn)動(dòng)控制噐(即主站)、從軸控制噐(4合)、人機(jī)界面等組成, 方便用戶編輯工藝程序(程序可保密)。

5.3控制系統(tǒng)框圖

控制系統(tǒng)框圖如圖3所示。





 

圖3 控制系統(tǒng)框圖

5.4控制方案

5.4.1同步控制

kp3-05m06r型運(yùn)動(dòng)控制器接收到由編碼器檢測的主電機(jī)轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù)并進(jìn)行處理后，輸出頻率可調(diào)的、用于控制網(wǎng)頭分電機(jī)的脈沖，實(shí)現(xiàn)導(dǎo)帶與網(wǎng)頭同步。

主傳動(dòng)是由嵌入式plc與同步控制器共同完成同步調(diào)節(jié)功能的。

5.4.2自動(dòng)對花控制

自動(dòng)對花不需要安裝高故障率的接近開關(guān)，只要編寫梯形圖程序并用觸摸屏輸入的步數(shù)傳送到d5904和d5905寄存器，且將自動(dòng)回零控制字d5907置1即可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)對花。

5.4.3插步控制

因?yàn)橛』ň纫蟾?，生產(chǎn)現(xiàn)場必須經(jīng)常修改插步數(shù)據(jù)，既耗時(shí)又達(dá)不到要求。使用該款運(yùn)動(dòng)控器后，只需對d5902和d5903寄存器賦值就能實(shí)現(xiàn)插步控制。

因篇幅所限，控制方案不能祥細(xì)介紹。

6 結(jié)論

實(shí)踐證明，采用基于嵌入式plc芯片組設(shè)計(jì)的運(yùn)動(dòng)控制噐，印花精度高、傳動(dòng)速度快、生產(chǎn)效率高、產(chǎn)品質(zhì)量優(yōu)，社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益巨大，深受客戶好評。該設(shè)計(jì)方案具有推廣價(jià)值。