西门子模块6ES7231-7PC22-0XA0大量库存

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0 引言

　　目前国内同类设备多是垂直层绕（焊丝与收线轴垂直），设备易受干扰，停车频繁，焊丝的张力不均。基于滞后角控制的自动排线系统可提高排线的精度和性能。通过可编程控制器PLC进行角度闭环控制，使焊丝以固定的滞后角度 β在工字轮上进行高速层绕。PLC检测到角度值并与设定值比较，偏差使PLC发出脉冲信号给伺服电机驱动直线单元运动，使偏差趋于零，以达到焊丝以固定滞后角层绕。利用人机界面完成设备数据的输入和实时监测。设计实现了在换向区外正常速度跟踪，换向开关动作后快速追赶至同步速度跟踪，焊丝到达工字轮边缘后再次形成新的滞后跟踪的自动排线系统的控制，满足了排线系统自动平稳排线的要求[1>-[2>。

1 层绕的工艺原理

　　自动排线器的结构如图1所示。排线器采用滞后角排线，伺服电机通过滚轴丝杠及滑轨推动排线器以一定的角度排线。在收线工字轮的内径区域，当从一侧向另一侧排线时，整个区域分成一般跟踪和换向跟踪两个区域。在一般跟踪区域采用固定滞后角跟踪模式，在换向区内采用变角度跟踪模式。由于焊丝在层绕至工字轮边缘时，会自动向相反方向层绕，在这个过程中，不允许焊丝有超前角度层绕，否则焊丝间会出现缝隙，下一层将出现瑕疵，层绕将被迫中断。因此换向区内的角度检测与控制至关重要。

Fig1 Automatic Arranging Welding Wire System
图1 焊丝层绕机自动排线器

Fig2 The Change Process of Angle in reversing Area
图2 换向区内角度的变化过程

　　通过换向开关动作自动形成直线单元移动方向标志，左换向开关置位右行标志，复位左行标志;右换向开关置位左行标志，复位右行标志。收线与倒线开关的上升沿将对直线单元的左右行走标志取反。以收线右换向为例，当右换向开关动作瞬间，直线单元以6倍基速快速推进至β≤0;当主电机继续旋转，直线单元以基速继续跟踪，当焊丝缠绕接近至工字轮的右边一圈线时，直线单元停止，同时复位直线单元右行标志，置位左行标志。收线左换向同理于收线右换向。收线左行时，角度α维持≤中心角+滞后角;右行时，角度α维持≥中心角-滞后角。换向区内角度的变化过程如图2所示。

2 控制系统结构以及工作原理

　　2.1控制系统结构

Fig3 The Control System for Arranging Welding Wire
图3 排线器控制系统

Fig4 The Control Block
图4 控制方框图

根据排线器的排线原理，控制系统首先必须完成排线角度的实时检测。设计采用1000线增量式编码器与PLC程序的结合实现的数字角度传感器进行排线角度的实时检测，传感器的分辨率为0.09°，满足小线径为0.8mm的焊丝在主轴上层绕一圈角度检测的要求;通过接近开关的动作来实现直线单元正常区域和换向区域的跟踪;通过PLC的输出脉冲控制伺服电机驱动直线单元的运行[3>。

　　2.2 直线单元工作原理

　　直线单元的行进速度应与主轴转速相匹配。通过主轴上安装的速度传感器，测算出主轴的旋转角速度N（转/秒）。工字轮上焊丝沿轴向的移动速度为V= N＊Φ ，其中Φ为焊丝线径，单位mm，V的单位为mm/s。为保持排线机构与主轴上焊丝移动速度的同步，即保持固定的滞后角，直线单元的推进速度应等于V。为确保滞后角的jingque同步，直线单元的行进速度应等于V加上角度回路输出值（偏移量），V转换成伺服电机的转速（脉冲数/秒）为：

　　脉冲速率=M＊N＊Φ/d（个/秒） （1）

　　其中, N为主轴的旋转角速度（转/秒）, Φ为焊丝线径（毫米）, M为伺服电机的码盘的每圈线数，d为滚轴丝杠的导程（毫米/转）。

　　根据式2-1伺服电机给定脉冲速率的计算公式，其取值范围为0～25000 P/S，故MV的输出饱和上限值应设为2500 P/S。

3 基于角度控制的程序编制

　　3.1排线角度检测

Program1 Angle Measuring
程序1 角度检测

Program2 Master Speed Measuring
程序2 主速度检测

硬件高速计数器采用4倍频的工作模式，在中断服务程序中实现角度传感器的回零功能。如程序1所示。

　　3.2主轴速度检测

　　采用M测速法，以固定时间中断（不受PLC程序扫描时间的影响）的方式测算主轴速度，即由每0.4秒光电码盘的计数脉冲值测算出主轴速度。如程序2所示。

　　3.3滞后角层绕的闭环控制

　　这部分程序是层绕机控制系统软件的核心，流程框图见图5所示。

本文介绍了一种新型步进电机控制驱动器。该驱动器充分利用了单片机软件控制灵活和PLC的ΔC门控制方便的主要特点，将传统的PLC步进电机控制模块与驱动电源合二为一，是一种新型的运动控制产品。 

传统上，在用PLC 控制步进电机时，通常在PLC中附加一块专用的步进电机控制智能模块，再与驱动电源相连接实现控制功能。在市场上，一片PLC的价格在2000 元左右，而一块控制智能模块也值2000 元，再加上驱动电源在1500 到2500 元左右，在一些小型控制中显得成本过高。本文介绍的一种控制驱动器产品，采用单片机内置式控制软件，接收PLC 的OC 门信息，将步进电机控制模块与驱动电源合二为一，省去了步进电机控制智能模块，使成本大为降低。该驱动器适用于各种二相、小于3A 的步进电机。 

一、系统硬件 

本系统采用软件环分驱动，大量工作由软件完成。硬件电路十分简单。如图1所示。

 
图1 控制驱动器线路简图

图2所示，同PLC 配合闭环控制步进电机，是该驱动器的一种典型应用。

 
图2 系统硬件

二、系统工作原理 

众所周知，普通的PLC 可编程控制器，输入为OC 门或继电器，很少有高速脉冲输出口，但一般有脉冲计数输入接口。我们利用这一特征点，通过以下配置可方便的完成机械运动的过程或位置控制。 

在机械运动机构上安装过程控制使用的长光栅，并在运动机构一端设定限位开关为机械原点(可用光电、霍尔元件) ，远离限位开关为步进电机运行的正方向。当步进电机通电后，首先向机械原点运行，当碰到限位开关时， PLC 内部的计数器自动清零。如我们要进行机械运动的过程控制，通过光栅与步进电机带动的机械部件相连，确定步进电机与光栅的脉冲当量值之后，即可在PLC可编程控制器上编程实现高速高效的过程控制了。例如：步进电机的脉冲当量为01001mm ，与之配合的光栅反馈脉冲也选配输出每个脉冲为01001mm ，这样步进电机每走一步，光栅反馈一次信号到PLC内，计数器则加(或减)一。 

由于该步进电机控制驱动器有7种速度可选，在不同的运动情况下选不同的速度，当运行到确定的位置后，停止步进电机即可。同时，控制驱动器内还自带升降频控制、整步/细分切换等功能，所以PLC 的控制使用十分方便。 

三、系统软件 

该系统的核心是单片机软件部分。 

软件由以下几个主要模块组成。如图3所示。

 
图3 控制软件模块

初始化模块：清理程序中所需的标志位，判断是否需要启动电机并复位电机。 

输入模块：CPU接收来自INT1到INT4的电平信号。其中INT1到INT3的各种不同组合用以选择7种常用频率来驱动电机，参见表1。INT4 决定运动方向(1表示正转，0表示反转) 。

表1 编码信息与频率关系 

升降频模块：此模块包括升降频数据表和查询数据表并给计数器T0 赋值两个子模块。它保证在两种频率之间切换时平稳圆滑过渡且不失步。程序在升降频过程中，涉及到“优化升降频曲线”如图4 所示，这条曲线的方程由电机参数决定。详细说明查阅其他资料。在处理这条曲线时，由时间t 每递增△t 所对应的频率f 构成一张表，并对应生成一页MCS - 51 汇编语言数据表(计时器T0 的初值) ，以查询数据表的方式来拟合这条曲线，实现优化升降频过程。

 
图4 升降频曲线

整步/ 细分切换模块：程序确定将七种常用频率以细分形式驱动电机，以满足电机处以不同工作状态时的不同需要；并将高频率设置成以整步驱动电机，使电机能高速空走。本模块负责完成从整步到细分、从细分到整步的切换。 

输出模块：此模块包括脉冲环分和环分脉冲输出(T0 中断完成) 两个子模块。本系统按二相二十拍编写程序。改变此模块可以广泛适用于二相各拍步进电机。 

四、总结 

同传统驱动器相比，该控制驱动器以软件代替硬件步进电机控制器和硬件脉冲环分电路，结构简单，成本节约。采用闭环控制，根据位置传感器的不同种类和精度，可广泛适用于坐标测量仪、比长仪等各种不同精度的精密仪器和机床设备。 

一、引言 

随着微电子技术和计算机技术的发展，可编程序控制器有了突飞猛进的发展，其功能已远远超出了逻辑控制、顺序控制的范围，它与计算机有效结合，可进行模拟量控制，具有远程通信功能等。有人将其称为现代工业控制的三大支柱（即PLC，机器人，CAD/CAM）之一。目前可编程序控制器（Programmable Controller）简称PLC已广泛应用于冶金、矿业、机械、轻工等领域，为工业自动化提供了有力的工具。 

二、PLC的基本结构 

PLC采用了典型的计算机结构，主要包括CPU、RAM、ROM和输入/输出接口电路等。如果把PLC看作一个系统，该系统由输入变量-PLC-输出变量组成，外部的各种开关信号、模拟信号、传感器检测的信号均作为PLC的输入变量，它们经PLC外部端子输入到内部寄存器中，经PLC内部逻辑运算或其它各种运算、处理后送到输出端子，它们是PLC的输出变量，由这些输出变量对外围设备进行各种控制。 

三、控制方法及研究 

1、FP1的特殊功能简介 

(1) 脉冲输出 

FP1的输出端Y7可输出脉冲，脉冲频率可通过软件编程进行调节，其输出频率范围为360Hz～5kHz。 

(2) 高速计数器（HSC） 

FP1内部有高速计数器，可同时输入两路脉冲，高计数频率为10kHz，计数范围-8388608～+8388607。 

(3) 输入延时滤波 

FP1的输入端采用输入延时滤波，可防止因开关机械抖动带来的不可靠性，其延时时间可根据需要进行调节，调节范围为1ms～128ms。 

(4) 中断功能 

FP1的中断有两种类型，一种是外部硬中断，一种是内部定时中断。 

2、步进电机的速度控制 

FP1有一条SPD0指令，该指令配合HSC和Y7的脉冲输出功能可实现速度及位置控制。速度控制梯形图见图1，控制方式参数见图2，脉冲输出频率设定曲线见图3。

 
图1 速度控制梯形图

 
图2 控制方式参数

 
图3 脉冲输出频率设定曲线

3、控制系统的程序运行

 
图4 控制系统原理图

图4是控制系统的原理接线图，图4中Y7输出的脉冲作为步进电机的时钟脉冲，经驱动器产生节拍脉冲，控制步进电机运转。同时Y7接至PLC的输入接点X0，并经X0送至PLC内部的HSC。HSC计数Y7的脉冲数，当达到预定值时发生中断，使Y7的脉冲频率切换至下一参数，从而实现较准确的位置控制。实现这一控制的梯形图见图5。

 
图5 控制梯形图

控制系统的运行程序：句是将DT9044和DT9045清零，即为HSC进行计数做准备;第二句～第五句是建立参数表，参数存放在以DT20为首地址的数据寄存器区;后一句是启动SPD0指令，执行到这句则从DT20开始取出设定的参数并完成相应的控制要求。 

由句可知个参数是K0，是PULSE方式的特征值，由此规定了输出方式。第二个参数是K70，对应脉冲频率为500Hz，于是Y7发出频率为500Hz的脉冲。第三个参数是K1000，即按此频率发1000个脉冲后则切换到下一个频率。而下一个频率即后一个参数是K0，所以当执行到这一步时脉冲停止，于是电机停转。故当运行此程序时即可使步进电机按照规定的速度、预定的转数驱动控制对象，使之达到预定位置后自动停止。 

三、结束语 

利用可编程序控制器可以方便地实现对电机速度和位置的控制，方便可靠地进行各种步进电机的操作，完成各种复杂的工作。它代表了先进的工业自动化革命，加速了机电一体化的实现。(end)