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lyq_4652
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樓主  發(fā)表于: 2008-09-16 16:55
摘要:本文介紹了一種應(yīng)用于圓網(wǎng)印花機控制系統(tǒng)的運動控制器的設(shè)計方法,其核心是利用嵌入式PLC芯片組作為主控制器,從控制器采用一片低成本的高速單片機,主從控制器組合設(shè)計,實現(xiàn)點動、定位、插補、電子齒輪等運動控制功能。用戶可以使用標(biāo)準(zhǔn)梯形圖語言進(jìn)行編程,多個運動控制器通過CAN通訊接口互連,很容易組成多軸聯(lián)動控制。

關(guān)鍵詞:圓網(wǎng)印花機、嵌入式PLC芯片組、梯形圖語言、脈沖分頻、SPI通訊、運動控制器
圓網(wǎng)印花機是一種印染后處理機電設(shè)備,對織物進(jìn)行上色印花并烘干,其關(guān)鍵部位是印花單元。早期印花采取機械傳動控制,印花精度低,機械傳動噪音大,使用壽命短。20世紀(jì)90年代末,國產(chǎn)圓網(wǎng)印花機開始采用分電機獨立傳動控制模式,印花精度和速度大為提高。與之配套的控制系統(tǒng)構(gòu)成方式多種多樣,有單片機多機控制、計算機分布式控制、PLC控制及CAN現(xiàn)場總線等控制方式。
黃石市科威自控有限公司運用嵌入式PLC芯片組,生產(chǎn)的EASY-KP3-M0506R型運動控制器是集PLC功能、CAN總線功能于一體的運動控制部件,與步進(jìn)驅(qū)動器或伺服驅(qū)動器配套使用,具有對步進(jìn)電機或伺服電機進(jìn)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通訊接口互連,其中一臺運動控制器作為主站,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(wù)器還可實現(xiàn)控制系統(tǒng)的遠(yuǎn)程監(jiān)控和診斷。
1、    運動控制器功能要求:
  · 脈沖輸入:最高100KHz差分電平
  · 脈沖輸出:a、第一路差分輸出,與輸入脈沖頻率相同,用于與其它運動控制器或其它設(shè)備進(jìn)行串極控制。
              b、第二路差分輸出,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。
  · 開關(guān)量輸入輸出:五路DI和6路DO。
  · UART0:梯形圖監(jiān)控和下載接口,可接字符屏或人機界面。
  · UART1:與其它設(shè)備互連或接操作終端。
  · CAN:高速網(wǎng)絡(luò)互連接口,波特率160Kbit/s。
2、    設(shè)計方案
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功能。從控制器采用C8051F330單片機,指令運算速度高達(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)送給主控制器。主、從控制器之間以SPI接口連接,SPI通訊速率為1Mbit/s,這樣有利于提高系統(tǒng)實時性。
3、    硬件總體框圖
3.1、主控制器及外圍電路框圖



3.2、從控制器及外圍接口電路框圖


4、硬件功能說明
4.1、嵌入式PLC芯片組
嵌入式PLC芯片組是一種內(nèi)部加載嵌入式PLC實時內(nèi)核,具備PLC功能和CAN、RS232/485通訊功能,能夠完成常規(guī)過程控制(如IO、AD、DA、高速輸入輸出)的控制模塊。過程控制功能的實現(xiàn)使用梯形圖語言編程,通訊功能只需簡單設(shè)置便可完成,其它接口信號的輸入輸出使用匯編語言或C語言編程,大大簡化了產(chǎn)品的設(shè)計過程。
4.2、開關(guān)量輸入輸出
     采集開關(guān)量輸入信號,輸出控制信號,所有信號必須隔離,提高抗干擾性能。所有開關(guān)量輸入輸出信號在梯形圖中都可以編程,用戶根據(jù)實際需要定義每個IO點的功能和用途。
4.3、UART0
      完成梯形圖下載、監(jiān)控、接字符屏或人機界面。
4.4、UART1
      支持三菱FX2N計算機鏈接方式格式1的部分主從站協(xié)議,具體協(xié)議格式請參見科威公司《EASY原理及應(yīng)用》一書,按照此協(xié)議可實現(xiàn)其它設(shè)備或操作終端與運動控制器互連,完成信息交換、參數(shù)設(shè)置、易地操作等功能。
4.5、CAN接口
      加載科威公司嵌入式PLC CAN應(yīng)用層協(xié)議,使用CANSET軟件進(jìn)行簡單設(shè)置,就可實現(xiàn)不同運動控制器之間的互連,其它設(shè)備按照此協(xié)議也可進(jìn)行互連。
4.6、從控制器及外圍接口
      CPU采用C8051F330,輸入脈沖經(jīng)過隔離、整形后進(jìn)入外部中斷輸入口,CPU按照用戶梯形圖設(shè)置的分頻系數(shù),對輸入脈沖進(jìn)行分頻,然后輸出對應(yīng)頻率的脈沖控制步進(jìn)或伺服電機。用戶根據(jù)實際系統(tǒng)的需要,應(yīng)用梯形圖編程,產(chǎn)生相應(yīng)的控制信息,如點動、定位、插補、改變分頻系數(shù)等。從控制器通過SPI接口接收相應(yīng)的命令后,執(zhí)行相應(yīng)的程序。
4.7、SPI接口
采用SPI一主一從通訊模式,ASCII碼傳輸。
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(jù),然后發(fā)送下一字節(jié)數(shù)據(jù)。當(dāng)所有報文發(fā)送完成后,暫停發(fā)送等待主程序處理報文,報文處理完后啟動下一輪發(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)所有報文接收完成后,對應(yīng)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,才啟動下一輪報文接收過程。
報文結(jié)構(gòu):STX+報文內(nèi)容+ETX+CRC
STX:報文起始代碼,固定為02H
報文內(nèi)容:起始2個字節(jié)為命令字對應(yīng)的ASCII碼,以區(qū)別不同的報文,后面為報文實際數(shù)據(jù),全部采用ASCII碼
ETX:報文結(jié)束代碼,固定為03H
CRC:校驗和,報文內(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、軟件功能
   5.1、主控制器軟件
由梯形圖軟件和嵌入程序組成,梯形圖軟件由用戶根據(jù)功能要求編制,嵌入程序由產(chǎn)品設(shè)計人員編寫,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(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通訊報文的發(fā)送和接收。
SCAN:演算周期掃描程序,輸入口狀態(tài)濾波,SPI通訊報文的解讀。
具體請參考科威公司《EASY原理及應(yīng)用》,
5.2、從控制器軟件
從控制器的作用相當(dāng)于一個執(zhí)行機構(gòu),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(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。
INT-SPI:SPI中斷服務(wù)程序,SPI通訊報文的接收和發(fā)送。
INT-T3:定時器T3中斷服務(wù)程序,監(jiān)控SPI通訊狀態(tài)和主程序執(zhí)行狀態(tài)。
MAIN:主程序,解讀SPI通訊報文,完成脈沖點動、定位功能。

6、    設(shè)計總結(jié)
   本文提出了一種運用嵌入式PLC芯片組和其它高速單片機進(jìn)行組合設(shè)計的思路,充分利用嵌入式PLC芯片組自身所固有的許多優(yōu)越性能,設(shè)計者只專注于接口部件的軟硬件設(shè)計,使產(chǎn)品設(shè)計流程縮短2/3的時間,可靠性易于保證。雖然該運動控制器是針對圓網(wǎng)印花機系統(tǒng)定型設(shè)計,但由于用戶可采用梯形圖進(jìn)行編程,以實現(xiàn)不同的功能,所以也可運用于其它運動控制系統(tǒng)。運用嵌入式PLC芯片組進(jìn)行組合設(shè)計是一種全新的產(chǎn)品設(shè)計思路,嵌入式PLC芯片組給廣大的產(chǎn)品設(shè)計人員帶來一種快捷、高效、可靠 的設(shè)計方法。


參考文獻(xiàn):
1.黃石科威自控有限公司 《EASY原理及應(yīng)用》
2. 沈陽新華龍有限公司 《C8051F040數(shù)據(jù)手冊》
3.沈陽新華龍有限公司  《C8051F330數(shù)據(jù)手冊》
4. 黃石科威自控有限公司 《EASY編程手冊》

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