倍福Beckhoff在步進(jìn)電機(jī)控制中的應(yīng)用研究

該系統(tǒng)為某主機(jī)電控系統(tǒng)，完成對(duì)光束的準(zhǔn)直過程中的參數(shù)診斷、數(shù)據(jù)采集、閉環(huán)控制等實(shí)時(shí)控制功能以及與主控系統(tǒng)的通信功能。步進(jìn)電機(jī)以性價(jià)比高，實(shí)時(shí)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(gè)步進(jìn)電機(jī)來實(shí)現(xiàn)對(duì)光束的準(zhǔn)直。神光原型采用控制卡控制大量步進(jìn)電機(jī)，控制卡控制步進(jìn)電機(jī)沒有負(fù)載位置的反饋信號(hào)，實(shí)時(shí)效果差，故障定位非常困難；試驗(yàn)中采用西門子PLC(Programmable Logic Controller，可編程邏輯控制器)控制這些電機(jī)可靠性好，但控制少量步進(jìn)電機(jī)時(shí)比較簡單，控制大量步進(jìn)電機(jī)時(shí)時(shí)序復(fù)雜，接線復(fù)雜，成本高，調(diào)試?yán)щy。最終方案采用德國Beckhoff公司的自動(dòng)化產(chǎn)品，如嵌入式控制器，現(xiàn)場總線端子、步進(jìn)電機(jī)總線端子等設(shè)備控制電機(jī)，該方案具有成本較低、操作簡便、占用空間小等優(yōu)點(diǎn)，也提高了系統(tǒng)的性能和可靠性，現(xiàn)已通過試驗(yàn)和評(píng)審進(jìn)入調(diào)試階段。

1 步進(jìn)電機(jī)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)思想

電控系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)思想為：控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)應(yīng)分別滿足現(xiàn)場獨(dú)立控制與遠(yuǎn)程集中控制，各子系統(tǒng)具備對(duì)系統(tǒng)各類設(shè)備的狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的功能，包括故障定位檢測(cè)和報(bào)警；具備對(duì)系統(tǒng)各設(shè)備進(jìn)行參數(shù)設(shè)置、參數(shù)采集、存儲(chǔ)、處理等功能。主控計(jì)算機(jī)位于主控制室內(nèi)，通過1 000 Mb／s光纖網(wǎng)絡(luò)與分控計(jì)算機(jī)通信，分控計(jì)算機(jī)通過光纖交換機(jī)與控制設(shè)備采用工業(yè)以太網(wǎng)通信，其網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D如圖1所示。

2 步進(jìn)電機(jī)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

2.1 倍福步進(jìn)電機(jī)總體控制架構(gòu)設(shè)計(jì)

采用基于嵌入式PC的模塊化運(yùn)動(dòng)控制器，型號(hào)為CX1020，運(yùn)動(dòng)控制器本身集成雙Ethernet接口，其中一個(gè)向上連接到現(xiàn)場工業(yè)以太網(wǎng)，接受運(yùn)動(dòng)控制的調(diào)用指令，另一個(gè)可以作為本地調(diào)試的網(wǎng)絡(luò)接口。運(yùn)動(dòng)控制器、運(yùn)動(dòng)控制網(wǎng)絡(luò)接口部件、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器通過硬實(shí)時(shí)的超高速以太網(wǎng)EtherCAT(Ethernet for Controland Automation Technology)構(gòu)成運(yùn)動(dòng)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(fù)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(jī)架內(nèi)總線耦合器通過K-Bus總線接口連接電機(jī)驅(qū)動(dòng)總線端子KL2531和KL2541，步進(jìn)電機(jī)直接連接在這兩個(gè)端子上，如果使用KL2541端子，還需要在機(jī)架上安設(shè)數(shù)字輸入端子KL1002，用于接人步進(jìn)電機(jī)限位信號(hào)，最后在機(jī)架末端安放BK9010總線終端端子。

每級(jí)機(jī)架上總線耦合器BK1120的另一網(wǎng)絡(luò)端口向下依次級(jí)聯(lián)另一機(jī)架上的總線耦合器，最后從控制器到各級(jí)機(jī)架網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)形成一個(gè)總線型的控制網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。KL2531和KL2541是步進(jìn)電機(jī)總線端子，提供一路20 kHz的脈沖，可以各帶一個(gè)步進(jìn)電機(jī)。步進(jìn)電機(jī)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(jī)控制系統(tǒng)主要由控制服務(wù)器、運(yùn)動(dòng)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