基于profibus的步进电机控制系统技术要点揭示

基于 Profibus的步进电机控制系统技术要点揭示关键字：Profibus 步进电机 控制系统 1 引言步进电机在非超载的情况下，电机的转速、停止的位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数，不受负载变化的影响。该特点使得在速度、位置等控制领域用步进电机来控制非常的简单。德国和欧洲标准的 Profibus 现场总线是一种开放的，不依赖于生产厂家的通信系统，是一种比较成熟的总线。Profibus 根据应用特点分成 Profibus -DP，Profibus -FMS,Profibus-PA 三个兼容版本。其中 Profibus-DP 是一种高速(数据传输率 9.6kbit/s-12Mbit/s)经济型设备级网络，主要用于现场控制器与分散 I/O 之间的通信，在工业自动化领域已经得到了成熟和广泛的应用。在汽车配件的加工中加工的精度决定了产品的质量，因此现代汽车制造业对加工的精度要求越来越高。在压配生产的过程中影响压配结果的因素很多，包括加工设备的情况、工件材料属性等。有的压配过程不但要求压配的定位精度高，对压配的速度也有严格的要求。系统以汽车配件厂的压配工序为对象，压配过程中工件要受到一些特殊的载荷，包括机械负荷和热应力负荷，整个压配工序对力和位移的参数要求较高。根据经验数据，零件的受力应维持在某个范围内，低于则压配无法完成，高于则零件会损坏。加工过程中由位移值来检测工序的完成，给进的位移量太多或太少都会使得产品成为不合格品。整个过程中影响加工精度的震动也是应该要避免的。同时工业生产线中的实际情况，要求整个系统在保证工序可靠完成的基础上，尽可能缩短压配的周期时间，并具有故障保护与故障报警功能。2 硬件设计考虑到上述情况，设计利用 PLC 控制步进电机来完成该压配过程。PLC、模拟量放大器完成测量放大变送和控制功能，上位机通过 Profibus-DP 分别与 PLC 和放大器实现数据通讯，上位机还通过 Ethernet 与模拟量放大器通讯完成压配过程的实时监控，上位机中由 Protool 组态软件编写人机界面，显示相关数据、过程曲线，完成相关参数设定和报警功能。整个系统是典型计算机直接数字控制系统(Direct Digital Control, DDC)与监督控制系统(Supervisory Computer Control, SCC)的结合，系统结构图见图 1。2.1 PLC 的选择系统主要的通讯基于 Profibus 协议，PLC 与模拟量信号放大器以及上位机之间都是通过 Profibus-DP 总线通讯，因此 PLC 型号选用西门子公司 S7-315C-2DP(带有 2 个 DP 通讯接口)。设计使得 PLC 控制步进电机与 PLC 从模拟量信号放大器采集监控数据两大功能模块相对独立。2.2 模拟量信号放大器在工业生产中一些压力测量、微位移测量等高精度要求的场合，从传感器采集到的模拟量微弱信号一般要经过一个信号的调理过程。它承担着微弱信号放大，电流、电压转换，信号滤波，噪声信号抑制，为后续进行 A/D 转换提供高精度信号的作用，同时要求满足低零漂，低电压偏移且线性转换。压配工序对压力测量和位移测量的精度要求较高，系统中采用的高精度传感器输出信号是微弱的信号，基于上述考虑系统采用 HBM 公司的 MP85ADP 模拟信号放大器。MP85ADP 除了采用不平衡电桥作为调理电路完成一般的信号调理功能外，还能够完成数据采集和实时监控功能。利用其附带的 PMEAssistant软件可以根据工件的不同标准来设置加工的公差带，显示压配过程中力和位移变化的实时曲线，完成了部分的 SPC功能，并根据设定参数及时检测出错误。MP85ADP 还提供了丰富的接口，包括 Profibus-DP、CAN、Ethernet，系统采用了MP85ADP 的 Profibus-DP 接口与 PLC 连接，Ethernet 与上位机连接。利用这些接口将放大器接入到现存的网络中，能方便的完成远程诊断和维护。2.3 步进电机及其驱动器步进电机采用的是 Orientalmotor 公司的 DRL 系列直线致动器，它内部是将滚珠螺杆安装在 5 相步进电机中并带有电磁制动功能的一种新机构的直线驱动用制动器，适合于高精度定位和低震动用场合。电机驱动器使用的是 Orientalmotor 公司的 CRD 系列光耦合驱动器，该驱动器具有平滑驱动功能，能在不改变脉冲输入设定的情况下，以与全步距时相同的移动速度来自动地进行微步驱动的控制;采用了能将传动装置的基本分辨率最大设定至 250 分割的微步驱动方式。使得电机在低速时也可以获得显著的低震动，低噪音的效果。系统中 PLC 与驱动器接线示意图如图 2 所示。主要参数说明：CW 脉冲：CW 方向工作指令脉冲信号(单脉冲输入方式时为工作指令的脉冲信号)负逻辑脉冲输入;脉冲宽度 1s 以上，上升下降时间 2s 以下，脉冲占空比 50%以下;将脉冲输入从 ON 变为 OFF 时，螺杆便在前进方向移动 1 步距;最大输入脉冲频率 500kHz。CCW 脉冲：CCW 方向动作指令脉冲信号(单脉冲输入方式时为运转方向信号)负逻辑脉冲输入;脉冲宽度 1s 以上，上升下降时间 2s 以下，脉冲占空比 50%以下;将脉冲输入从 ON变为 OFF 时，螺杆便在后退方向移动 1 步距;最大输入脉冲频率 500kHz。当设为单脉冲输入时，CW 脉冲输入端变为步进电机驱动脉冲的输入端，CCW 脉冲输入端作为电机方向控制信号输入端。分辨率转换：DATA1、DATA2 为分辨率设定开关，光耦合器 OFF 时请选择 DATA1，光耦合器 ON 时请选择 DATA2。在驱动器上调整解析度开关，将分割数设为 1，即步进电机转动 0.72/step。根据步进电机参数知解析度为 0.008mm。1 分割(0.72/step)时：每 10 脉冲输出 1 次;10 分割(0.072/step)时：每 100 脉冲输出 1 次。根据压配所要完成的位移量由上面公式可以算出脉冲的频率与个数，并通过控制电机速度来控制完成一次压配的时间。3 软件设计3.1 软件整体结构通过 Profibus-DP 总线进行通讯和控制的系统，需要导入硬件设备商提供的 GSD 文件，本系统中 PLC 作为系统的总站，MP85ADP 模拟量信号放大器作为 DP 从站，导入 GSD 文件来进行组态。程序主要由以下几部分组成：OB100、OB1、DB20、SFB49 和 SFC14。OB100 是暖启动组织块，系统启动就调用 OB100，它的主要作用是初始化系统启动时的软件门的值。OB1 是主程序组织块，是整个控制的核心部分，一些控制命令，如速度命令、位置命令、复位命令以及电机控制器的初始化都是由它完成的。它包括系统功能 SFC14、系统功能块 SFB49和背景数据块 DB20。系统功能 SFC14 通过 Profibus-DP 总线定期的从 DP 从站读取和更新数据。每个SFC14 只能到配置好的指定地址上去读取数据，系统中要读取位移和压力的值所以要使用两个 SFC14分别到硬件组态中设置好的地址上去读取。其中 LADDER 参数记录的是 DP 从站中数据的地址，RET-VAL 参数在发生错误的时候会被激活，返回一个错误码。RECORD 参数记录的是从站中读取来的数据在主站中的存放目的地址。系统功能块 SFB49 实现的是脉冲宽度调制功能(Pulse width modulation、PWM)。程序中用到它的主要参数有 LADDR、SW_EN、OUTP_VAL 等。LADDR 参数记录的是子模块的 I/O 地址，它是在硬件组态时分配的;SW-EN 为软件门，来控制功能的启动/停止;OUTP_VAL 为设定脉冲宽度的参数。3.2 使用 S7-300C 的脉宽调制功能实现控制系统中 PLC 的 CPU 集成了 4 路完全独立最高 2.5KHZ 的脉冲输出，同时带有门功能可启动/停止脉冲宽度调制(程序中采用的是软件门中断方式)。使用 STEP7 V5.4 进行系统硬件组态时，设置输出脉冲参数的输出格式为 Per mil 或 S7 analog。Per mil 为 1000，Pulse duration=Outp_val/1000*Period duration S7 analog，Pulse duration=Outp_val/27648 * Period duration S7 模拟量转化成脉冲输出。Outp_val 是 SFB49 中的一个变量，可以在程序中随时修改脉冲宽度。时基可以选择 1ms 或 0.1ms。Period 最小为 0.4ms 所以最大输出频率为 2.5KHZ。脉冲说明见图 3。在硬件组态时，设置的脉冲周期为 1 秒，脉冲宽度为 500/1000*1S=0.5S 当 M1.1 为 1 时输出脉冲，M1.2 为 1 时，周期时间改变为 2S,这时脉冲宽度变为 500/1000*2S=1S.如果CPU 掉电，则恢复在硬件组态里的值，周期时间为 1 秒。4 结束语系统的搭建是基于生产线上的实际应用，精度要求较高，应客户的要求选用了比较高端的设备，因此成本较高。实际应用中表明，将基于 Profibus 通讯的步进电机控制系统应用到压配生产中提高了系统的稳定性和设备的进给的精度，提升了压配过程的自动化水平。同时 Profibus-DP 接口的引入，使得步进电机在工业控制网络中的通信与控制更为方便