基于+PLC+的两轴运动控制系统设计

1、基于PLC的两轴运动控制系统设计学生姓名：张坤森学号：2014062038指导教师;彭宽栋专业：机电一体化杭州科技职业技术学院摘要：以可编程控制器PLC作为运动控制系统的核心，步进电机作为运动控制系统的执行机构，设计了基于PLC的两轴运动控制系统;通过PLC高速脉冲口输出高速脉冲，实现了单轴运动或者两轴运动;采用触摸屏作为操作面板，建立了友好的人机交互界面。关键词：机械制造自动化；PLC；步进电机；运动控制0前言步进电机是一种将电脉冲转化为角位移的执行机构。步进电机开环控制结构简单，可靠性高，价格低。但当起动频率太高或者负载太大，步进电机极易失步。而步进电机闭环控制可以克服以上缺点，提高系统精

2、度和稳定性。在闭环控制系统中，采用增量式编码器作为反馈装置。而PLC作为一种工业计算机，具有逻辑控制、步进控制、数据处理、存储功能、自诊断功能、通信联网等功能，而且具有较高的可靠性、较强的抗干扰性、较好的通用性等优点。所以，使用PLC控制步进电机，构建两轴运动控制系统，具有重要意义。1系统组成本文所实现的示教与再现功能系统组成框图如图1所示。采用西门子S7-200系列的CPU226DC/DC/DCPLC作为主控制器。该CPU具有4个最高20kHz的正交高速脉冲计数器，能够对输入的正交编码脉冲信号进行4分频5;2个最高20kHz的高速脉冲输出；24个输入点和16个输出点；其布尔型指令执行时间只有

3、0.22卩s6。I|WinCCO一OPCSewer*购曲尤轴方向控船i|販麺出|高遡眛冲输出匕00叭0_Jy伺服狀机增址式正交编码器FS7-100PM：CPU226DC/DC/DCQO.D/FTQO”散字输人喜速计数接口一-圧。增輦式正交编码器才J-_f：-HSC2x伺服电机團1系统组咸框图2系统总体设计该运动控制系统由触摸屏、PLC、步进电机驱动器、步进电机、限位开关、急停开关、编码器等组成。操作者通过触摸屏端操作，向PLC发出控制指令，PLC根据控制指令和内部梯形图控制相应步进电机动作，步进电机将带动相应的进给轴动作，同时，PLC将采集与步进电机相连的编码器产生的反馈信号，并将反馈信号返回

4、给触摸屏,以完成整个系统的反馈环节。此外，外部限位开关用于限定运动系统的极限位置，急停开关用于发生突发状况时，立即停止机器，防止伤害或者损失扩大。系统总体设计框图如图1图1系统总体设计框图3系统硬件设计该运动控制系统采用“脉冲+方向”方式控制步进电机，即PLC输出高速脉冲和方向信号，完成对步进电机的控制。同时，PLC输入端的高速计数口对编码器信号进行计数。此外，外部限位开关、急停开关、功能按钮也需分配PLC相应的输入端口。因此，选择了三菱FX3U-64MT，该PLC是第三代微型可编程控制器，内置独立3轴100kHz定位功能，具有高速计数功能，完全满足系统要求。PLC端口分配如表1所示。表1PL

5、C端口分配表信号名称输入输岀编号X轴F轴脉冲YOOOY(K)1方向Y004Y(X)5电机运行Y01QYOU编码器XOOOX(X)1零点限位X0O3X004正转限位X006X(X)7反转限位X011X012点动（正向XQ15X016点动（反向、X020X021急停X014启动XO23停止X024回零X0254系统控制方案设计该运动控制系统主要解决两方面的问题：一是两轴运动的插补算法问题，因为PLC本身不具有插补计算功能，因此需要设计合适的插补算法，通过编程方法来实现插补；二是区分单轴运动和两轴运动，单轴运动时，判断是哪根轴运动以及怎样运动，两轴运动时，两根轴是怎样运动。传统的逐点比较法尽管算法简

6、单，但是不能实现两轴同动；数字积分法虽然作了一定的改进，但是该算法两轴速度比恒定，算法不易掌握，并且不能保证连续实现两轴同动。针对以上插补算法的不足，提出了另一种插补算法：两轴同动法，其原理是每次向两个坐标轴分别输出各自的进给脉冲，在同一时间内，两个坐标轴分别独立地完成规定的进给量，根据直线合成原理，两轴同动的结果是得到一条直线，原给距离为Ly，则在两轴同动情况下，各分量如表2所Z示O表2项目分量表数据内容直线分量X轴分量F轴分量终点位置比起点位置xaYa移动距离LXb-XaLYb-Y(i初始速度门L心HIJrL工作速度Dp扎-X,|ELEL加、减速时间业戶】由于步进电机的输出位移量与输入脉冲

7、数成正比，其速度与单位时间内输入脉冲数（即脉冲频率）成正比，此时，PLC只需向X轴和Y轴步进电机同时输出各自脉冲总数和脉冲频率，同时，输出步进电机方向控制信号，就可以完成直线运动轨迹。两轴运动控制系统的运动情况主要有2种，即单轴运动和两轴运动。该系统采用如下指令来实现单轴运动或两轴运动。LDX023MOVD0K2Y004LDY010DDRVAD1D2Y000Y004LDY011DDRVAD3D4Y001Y005LDM8000DHSCRD1C235Y010DHSCRD3C236Y011当按下启动按钮后，PLC执行内部梯形图程序，用D0的每个位来控制Y004到Y013输出口的动作。其中选择Y004

8、作为X轴电机方向控制信号，Y010作为判断X轴电机是否运行的条件，即当Y010为高电平时，X轴电机动作，同时选择Y005作为Y轴电机方向控制信号，Y011作为判断Y轴电机是否运行的条件，即当Y011为高电平时，Y轴电机动作。电机状态控制表如表3所示。当PLC高速计数口对编码器的计数值与预设值相等时，Y010或者Y011将会被复位，电机停止。表3电机控制状态表电机运动Y013YOl2Y011YQ1OY0()7YM6YOOSDOA-00010000L6崖十0001000117-00100C)C)032F+001000034y-0011000048y-0011000149X-Y4-001100050

9、X+F十0011001515触摸屏界面设计该系统采用三菱GS2107触摸屏作为操作面板，操作者通过触摸屏端操作，实现不同的控制功能。手动模式下，操作者可以进行X轴点动、Y轴点动操作。自动模式下，操作者通过输入起点坐标和终点坐标，并选择电机的8种工作模式，按下启动按钮，PLC会根据内部梯形图，控制电机运行到指定位置。此外，PLC高速计数口对编码器进行计数，数值转化为坐标，实时显示在触摸屏上。触摸屏界面设计如图4所示。图4触摸屏界面设计图6结论（1）该运动控制系统以PLC为核心，步进电机为执行机构，结构简单，动态性能良好；（2）设计的插补算法和应用指令，可以实现单轴运动或两轴运动;（3）采用触摸屏作为人机交互界面，操作简单，易于掌握。参考文献1邵强邵诚基于PLC的直线插补控制及其实现机械设计与制造，2007，（8）:122T23.2李明副.西门子运动控制器在压机送料线上的应用J锻压装配与制造技术，2004,（2）:55-56.3