基于嵌入式PLC芯片組的運動控制器的設計
1 引言
圓網印花機是織物印染后續處理機電設備，對織物進行上色印花并烘干，其關鍵部件是印花單元，主要完成多種花色的自動套印功能。傳統印花單元采用機械傳動控制，在工藝更改或織物發生變化時，機械調整工作量大，操作流程較復雜。設備經過一段時間使用后，由于機械磨損，印花精度和速度都大為降低，并且升降速跑花。20世紀90年代末，國產圓網印花機開始采用分電機獨立傳動控制模式，雖然印花精度和速度有明顯提高，但升降速有跑花現象，與之配套的控制系統構成方式也比較復雜。其中有單片機總線擴展方式、計算機分布式控制、plc控制等。因其控制方式復雜或成本較高，這些控制方式沒有得到大量推廣。
在深入分析各種控制方案的優缺點后，2005年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。該系統可接人機界面，實現工藝集中顯示、控制和管理，如配備web服務器還可實現控制系統的遠程監控和診斷。
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、印染行業現場應用了數千臺。實踐證明該款控制器不但性能優越，而且使用和維護非常簡便。其中主要參數如下：
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，可實現多個運動控制器互連；
串口0，可完成梯形圖下載、監控、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的部分主從協議，按此協議可實現本運動控
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＜∞，小數點后有效數字為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、刷新輸出口狀態、spi通信報文的發送和接收。
scan：演算周期掃描程序，輸入口狀態濾波，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，并將有關信息發送給主站控制器。從控制器的作用相當于一個執行機構，它接受主控制器的命令執行不同的動作，并把執行的狀態反饋給主控制器，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送。
int-t3：定時器t3中斷服務程序，監控spi通信狀態和主程序執行狀態。
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的快速性和實時性。
主站采用定時發送/接收模式，嵌入程序初始化時，啟動spi發送，定時時間到，先接收一字節數據，然后發送下一字節數據。當所有報文發送完成后，暫停發送等待主程序處理報文，報文處理完后才啟動下一輪發送。
從站采用中斷接收/發送模式，進入中斷服務程序后，先接收一字節數據，然后發送一字節數據，當所有報文接收完成后，對應的有相同字節的報文發送完成。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個字節為命令字對應的ascii碼，以區別不同的報文，后面為報文實際 數據，全部采用ascii碼。
etx：報文結束代碼，固定為03h。
crc：校驗和，報文內容所有字節相加后再加etx的數值，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。
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控制系統框圖
控制系統框圖如圖3所示。
圖3 控制系統框圖
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即可實現自動對花。
5.4.3插步控制
因為印花精度要求高，生產現場必須經常修改插步數據，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插步控制。
因篇幅所限，控制方案不能祥細介紹。
6 結論
該款運動控制器雖然是針對圓網印花機控制系統定型設計，但由于用戶可采用標準梯形圖進行編程實現不同的功能，所以也可運用于其它運動控制系統。運用嵌入式plc芯片組進行組合設計是一種全新的產品設計思路,設計者只專注于接口部件的軟硬件設計，使產品設計流程縮短2/3的時間，且可靠性高。嵌入式plc芯片組給廣大的產品設計人員帶來一種快捷、高效、可靠的設計方案。
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，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。
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