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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，設計出了kp3-05m06r型運動控制器。該控制器集plc、can總線、rs485/232等功能于一體，與步進驅動器或伺服驅動器配套使用，具有對步進電機或伺服電機進行點動、定位、脈沖正反插補、脈沖分頻等功能。多個運動控制器通過can通信接口互連，其中一臺運動控制器作為主站，其余運動控制器均作從站。該系統(tǒng)可接人機界面，實現(xiàn)工藝集中顯示、控制和管理，如配備web服務器還可實現(xiàn)控制系統(tǒng)的遠程監(jiān)控和診斷。

2 運動控制器的功能

自2005年至今，kp3-05m06r型運動控制器在紡織、印染行業(yè)現(xiàn)場應用了數(shù)千臺。實踐證明該款控制器不但性能優(yōu)越，而且使用和維護非常簡便。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，可實現(xiàn)多個運動控制器互連;

串口0，可完成梯形圖下載、監(jiān)控、接字符屏或人機界面;

串口1，支持三菱fx2n計算機鏈接方式格式1的部分主從協(xié)議，按此協(xié)議可實現(xiàn)本運動控

制器與fx2n系列plc、操作終端或其他設備互連，完成信息交換、參數(shù)設置、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)點后有效數(shù)字為3位;

脈沖點動，自動定位，直線插補;

編程語言：

梯型圖語言，與三菱fx2n指令兼容。

3 硬件設計方案

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 軟件設計方案 

4.1 主控制器軟件設計

主控制器采用嵌入式plc芯片組，完成開關量輸入輸出、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spi。

init-start：上電初始化程序，復位所有輸出口。

init-set：設置初始化程序，復位所有輸出口。

init-run：運行初始化程序。

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通信報文的解讀。

4.2 從控制器軟件設計

從控制器采用c8051f330單片機，指令運算速度高達25mips。從控制器對輸入脈沖采樣，接受主控制器發(fā)送的命令并進行相應的處理，輸入脈沖經過分頻后，輸出相應頻率的脈沖，并將有關信息發(fā)送給主站控制器。從控制器的作用相當于一個執(zhí)行機構，它接受主控制器的命令執(zhí)行不同的動作，并把執(zhí)行的狀態(tài)反饋給主控制器，主要由以下5個功能程序組成。

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

int-int0：外部中斷0服務程序，對輸入脈沖進行分頻處理及脈沖插補。

int-spi：spi中斷服務程序，spi通信報文的接收和發(fā)送。

int-t3：定時器t3中斷服務程序，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通信報文，完成脈沖點動、定位。

4.3主從控制器的組合設計

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)的快速性和實時性。

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

從站采用中斷接收/發(fā)送模式，進入中斷服務程序后，先接收一字節(jié)數(shù)據，然后發(fā)送一字節(jié)數(shù)據，當所有報文接收完成后，對應的有相同字節(jié)的報文發(fā)送完成。此時從站停止接收報文，等待主程序處理接收到的報文，報文處理完后，又啟動下一輪報文接收過程。

報文結構：stx+報文內容+etx+crc。

stx：報文起始代碼，固定為02h。

報文內容：起始2個字節(jié)為命令字對應的ascii碼，以區(qū)別不同的報文，后面為報文實際 數(shù)據，全部采用ascii碼。

etx：報文結束代碼，固定為03h。

crc：校驗和，報文內容所有字節(jié)相加后再加etx的數(shù)值，然后轉換成ascii碼。

5 應用舉例

5.1控制設備名稱

控制設備名稱：4套色圓網印花機控制系統(tǒng)。

5.2技術要求

同步傳動包括兩部分：主傳動同步主要是進布電機與超喂電機、印花電機、烘房電機、立柱烘焙電機(含立柱烘焙電機與落布電機等單元之間的同步)之間的同步傳動;分同步傳動則是實現(xiàn)印花電機與網頭分電機之間的同步傳動，要求同步精度高。

電控系統(tǒng)由主軸運動控制噐(即主站)、從軸控制噐(4合)、人機界面等組成, 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型運動控制器接收到由編碼器檢測的主電機轉速數(shù)據并進行處理后，輸出頻率可調的、用于控制網頭分電機的脈沖，實現(xiàn)導帶與網頭同步。

主傳動是由嵌入式plc與同步控制器共同完成同步調節(jié)功能的。

5.4.2自動對花控制

自動對花不需要安裝高故障率的接近開關，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，且將自動回零控制字d5907置1即可實現(xiàn)自動對花。

5.4.3插步控制

因為印花精度要求高，生產現(xiàn)場必須經常修改插步數(shù)據，既耗時又達不到要求。使用該款運動控器后，只需對d5902和d5903寄存器賦值就能實現(xiàn)插步控制。

因篇幅所限，控制方案不能祥細介紹。

6 結論

實踐證明，采用基于嵌入式plc芯片組設計的運動控制噐，印花精度高、傳動速度快、生產效率高、產品質量優(yōu)，社會效益和經濟效益巨大，深受客戶好評。該設計方案具有推廣價值。