該系統(tǒng)為某主機電控系統(tǒng)，完成對光束的準直過程中的參數(shù)診斷、數(shù)據(jù)采集、閉環(huán)控制等實時控制功能以及與主控系統(tǒng)的通信功能。步進電機以性價比高，實時效果好，不需要昂貴的反饋系統(tǒng)著稱，該系統(tǒng)中采用了一千多個步進電機來實現(xiàn)對光束的準直。神光原型采用控制卡控制大量步進電機，控制卡控制步進電機沒有負載位置的反饋信號，實時效果差，故障定位非常困難；試驗中采用西門子PLC（Programmable Logic Controller，可編程邏輯控制器）控制這些電機可靠性好，但控制少量步進電機時比較簡單，控制大量步進電機時時序復(fù)雜，接線復(fù)雜，成本高，調(diào)試困難。最終方案采用德國Beckhoff公司的自動化產(chǎn)品，如嵌入式控制器，現(xiàn)場總線端子、步進電機總線端子等設(shè)備控制電機，該方案具有成本較低、操作簡便、占用空間小等優(yōu)點，也提高了系統(tǒng)的性能和可靠性，現(xiàn)已通過試驗和評審進入調(diào)試階段。

1 、步進電機運動控制系統(tǒng)總體設(shè)計思想

電控系統(tǒng)的總體設(shè)計思想為：控制系統(tǒng)設(shè)計應(yīng)分別滿足現(xiàn)場獨立控制與遠程集中控制，各子系統(tǒng)具備對系統(tǒng)各類設(shè)備的狀態(tài)進行實時監(jiān)測的功能，包括故障定位檢測和報警；具備對系統(tǒng)各設(shè)備進行參數(shù)設(shè)置、參數(shù)采集、存儲、處理等功能。主控計算機位于主控制室內(nèi)，通過1 000 Mb／s光纖網(wǎng)絡(luò)與分控計算機通信，分控計算機通過光纖交換機與控制設(shè)備采用工業(yè)以太網(wǎng)通信，其網(wǎng)絡(luò)拓撲圖如圖1所示。

2、 步進電機運動控制系統(tǒng)設(shè)計方案

2.1 倍福步進電機總體控制架構(gòu)設(shè)計

采用基于嵌入式PC的模塊化運動控制器，型號為CX1020，運動控制器本身集成雙Ethernet接口，其中一個向上連接到現(xiàn)場工業(yè)以太網(wǎng)，接受運動控制的調(diào)用指令，另一個可以作為本地調(diào)試的網(wǎng)絡(luò)接口。運動控制器、運動控制網(wǎng)絡(luò)接口部件、步進電機驅(qū)動器通過硬實時的超高速以太網(wǎng)EtherCAT（Ethernet for Controland Automation Technology）構(gòu)成運動控制網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，采用EtherCAT取代以往的現(xiàn)場總線傳輸技術(shù)，可以顯著減少控制系統(tǒng)CPU的負荷，而且無需任何智能主站卡，適合集中式與分布式控制體系。

末端端子與底層EtherCAT總線耦合器端子BK1120相連，在本機架內(nèi)總線耦合器通過K-Bus總線接口連接電機驅(qū)動總線端子KL2531和KL2541，步進電機直接連接在這兩個端子上，如果使用KL2541端子，還需要在機架上安設(shè)數(shù)字輸入端子KL1002，用于接人步進電機限位信號，最后在機架末端安放BK9010總線終端端子。

每級機架上總線耦合器BK1120的另一網(wǎng)絡(luò)端口向下依次級聯(lián)另一機架上的總線耦合器，最后從控制器到各級機架網(wǎng)絡(luò)節(jié)點形成一個總線型的控制網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)。KL2531和KL2541是步進電機總線端子，提供一路20 kHz的脈沖，可以各帶一個步進電機。步進電機總體控制架構(gòu)如圖2所示。

具體的控制器和通訊模塊等數(shù)量配置見表1。

2.2 硬件組成

電機控制系統(tǒng)主要由控制服務(wù)器、運動控制器、電源模塊、Ethernet交換數(shù)據(jù)的通訊模塊和總線端子等組成。

2.3 重要器件概述

運動控制器采用基于嵌入式PC的模塊化運動控制器，型號為CX1020，處理器為Intel Celeron MULV1 GHz，內(nèi)存為256 MB／512 MB／1 024 MB，操作系統(tǒng)為Microsoft Windows XP Embedded或MicrosoftWindows CE。該運動控制器應(yīng)用于中等規(guī)模的控制系統(tǒng)中，自帶兩個工業(yè)以太網(wǎng)EtherCAT接口，其中一個向上連接到現(xiàn)場工業(yè)以太網(wǎng)，接受運動控制的調(diào)用指令，另一個可以作為本地調(diào)試的網(wǎng)絡(luò)接口。軟件開發(fā)平臺TwinCAT PLC（The Windows Control and Automation Technology PLC）使用符合采用IEC61131-3的編程語言編程，運動控制功能庫符合PLCopen標準，具有通用的、開放式軟件接口。

EtherCAT是與PC控制技術(shù)相匹配的通訊系統(tǒng)，以Beckhoff開發(fā)的實時工業(yè)以太網(wǎng)解決方案，其特點是性能優(yōu)越、操作簡便。該技術(shù)采用標準的以太網(wǎng)幀，支持因特網(wǎng)技術(shù)。以太網(wǎng)可以直接到達端子，以太網(wǎng)過程接口可以從2位擴展到64個字節(jié)；350μs處理12 000個數(shù)字量I／O；100μs處理100個電機軸等。EtherCAT適合于多種網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)，可用于設(shè)備控制、機器人、嵌入式系統(tǒng)、樓宇自動化、運輸系統(tǒng)等。

步進電機歷史悠久，爆發(fā)力好，便于控制并且扭矩大，在控制領(lǐng)域內(nèi)占有相當重要的地位。步進電機是一種將電脈沖轉(zhuǎn)化為角位移的執(zhí)行機構(gòu)。當步進驅(qū)動器接收到一個脈沖信號，它就驅(qū)動步進電機按設(shè)定的方向轉(zhuǎn)動一個固定的角度（稱為“步距角”）。它的旋轉(zhuǎn)是以固定的角度一步一步運行的?？梢酝ㄟ^控制脈沖個數(shù)來控制角位移量，從而達到準確定位的目的。同時可以通過控制脈沖頻率來控制電機轉(zhuǎn)動的速度和加速度，從而達到調(diào)速的目的。我們采用北京四通的兩相混合式步進電機，型號為28BYG250C，步距角為0.9／1.8，靜態(tài)相電流0～7 A，保持轉(zhuǎn)矩0.065 N／m，定位轉(zhuǎn)矩0.005 N／m，轉(zhuǎn)動慣量12 gcm2。

KL2531和KL2541是集成的步進電機控制器，是Beckhoff產(chǎn)品中用于傳統(tǒng)驅(qū)動器高性價比的產(chǎn)品。KL2531和KL2541均可以提供和小型伺服驅(qū)動器相近似的性能，提供了最大64個最大中間步，并提供一路20 kHz的脈沖，一路脈沖驅(qū)動一臺步進電機。KL2531總線端子用于較低性能場合，該端子是為簡單的整合到24 V直流電壓控制系統(tǒng)而設(shè)計的，每相尖峰電流1.5 A。KL2541可以提供高達5 A的最大電流，能夠驅(qū)動扭矩高達5 Nm的步進電機。端子的輸出階段，有以溫度過高警報并且關(guān)斷的形式的過載保護，同時還有短路保護功能，診斷數(shù)據(jù)可以通過控制器的過程映像區(qū)來取得，自帶兩路高速輸入通道，快速準確記錄當前位置，或?qū)崿F(xiàn)急停功能。輸出脈沖可以通過“EnableBit”啟動，電機的電流可以通過參數(shù)值來進行設(shè)定。對電機的配置可以通過軟件來完成，這樣總線端子能容易的進行更換，而且參數(shù)可以存儲或者被轉(zhuǎn)移到下一個工程，無需通過電位器或者指撥開關(guān)來設(shè)定。

3 、軟件配置

Beckhoff公司基于PC平臺的實時核技術(shù)可以將安裝了Microsoft公司W(wǎng)indowsNT／2000／XP／CE.NET／XP嵌入式操作系統(tǒng)的普通PC和Beckhoff公司的嵌入式控制系統(tǒng)CX1000改造為具有實時能力的PC控制器。Beckhoff公司基于PC平臺的實時核技術(shù)通過與3S公司提供的TwinCAT編程環(huán)境相結(jié)合，以及系統(tǒng)管理器對Beckhoff公司各種I／O設(shè)備的驅(qū)動程序相結(jié)合，使TwinCAT CP、I／O、PLC、PTP和NCI構(gòu)成了一套完整的基于PC平臺的實時控制器解決方案。

TwinCAT軟件具備四套獨立運行的PLC實時核，每套PLC都可分配4個任務(wù)，并且可以將最小任務(wù)周期時間設(shè)置為50μs（取決于所使用的CPU處理能力）。TwinCAT PLC控制是用于PLC的完整開發(fā)環(huán)境，所使用的編輯器和調(diào)試功能建立在高級編程語言開發(fā)環(huán)境基礎(chǔ)之上，在TwinCAT PLC中可以使用IEC61131-3的五種不同語言創(chuàng)建PLC程序。TwinCAT實時任務(wù)運行的載荷率（TwinCAT實時任務(wù)運行時間與操作系統(tǒng)運行時間的比率）可調(diào)范圍為10％～90％。并在此基礎(chǔ)上，將伺服控制中的PTP、NCI和HMI技術(shù)拓展到系統(tǒng)管理器和TwinCAT編程環(huán)境中。

4 、結(jié) 語

該設(shè)計方案已經(jīng)通過實驗階段進入正式調(diào)試階段，在該過程中，可以發(fā)現(xiàn)倍福產(chǎn)品有很多優(yōu)點，占用的空間小?，F(xiàn)場總線端子的主要特點是性價比高，質(zhì)量可靠，結(jié)構(gòu)緊湊，堅固耐用，而且安裝和接線非常方便。EtherCAT技術(shù)具有高度的通用性，基于EtherCAT的系統(tǒng)可以大大縮短研發(fā)速度。

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