基于嵌入式PLC芯片组的运动控制器的设计

1  引言

圆网印花机是织物印染后续处理机电设备，对织物进行上色印花并烘干，其关键部件是印花单元，主要完成多种花色的自动套印功能。传统印花单元采用机械传动控制，在工艺更改或织物发生变化时，机械调整工作量大，操作流程较复杂。设备经过一段时间使用后，由于机械磨损，印花精度和速度都大为降低，并且升降速跑花。20世纪90年代末，国产圆网印花机开始采用分电机独立传动控制模式，虽然印花精度和速度有明显提高，但升降速有跑花现象，与之配套的控制系统构成方式也比较复杂。其中有单片机总线扩展方式、计算机分布式控制、PLC控制等。因其控制方式复杂或成本较高，这些控制方式没有得到大量推广。

在深入分析各种控制方案的优缺点后，2005年本文作者利用黄石市科威自控有限公司的嵌入式plc芯片组，设计出了kp3-05m06r型运动控制器。该控制器集plc、can总线、rs485/232等功能于一体，与步进驱动器或伺服驱动器配套使用，具有对步进电机或伺服电机进行点动、定位、脉冲正反插补、脉冲分频等功能。多个运动控制器通过can通信接口互连，其中一台运动控制器作为主站，其余运动控制器均作从站。该系统可接人机界面，实现工艺集中显示、控制和管理，如配备web服务器还可实现控制系统的远程监控和诊断。

2  运动控制器的功能

自2005年至今，kp3-05m06r型运动控制器在纺织、印染行业现场应用了数千台。实践证明该款控制器不但性能优越，而且使用和维护非常简便。其中主要参数如下：

输入：5路光耦+1路最高100khz脉冲信号。

输出：6路继电器+5路晶体管+1路0～10vdc +1路级连脉冲+1路分频脉冲。

通信功能：

can接口，波特率160kbit/s，可实现多个运动控制器互连；

串口0，可完成梯形图下载、监控、接字符屏或人机界面；

串口1，支持三菱fx2n计算机链接方式格式1的部分主从协议，按此协议可实现本运动控  

制器与fx2n系列plc、操作终端或其他设备互连，完成信息交换、参数设置、异地操作等功能。

控制功能：

脉冲分频，频率=输入脉冲频率/k，其中4.000≤k＜∞，小数点后有效数字为3位；

脉冲点动，自动定位，直线插补；

编程语言：

梯型图语言，与三菱fx2n指令兼容。

3  硬件设计方案

3.1 主控制器及外围电路框图

主控制器及外围电路框图如图1所示。

图1  主控制器及外围电路框图

3.2 从控制器及外围电路框图

从控制器及外围电路框图如图2所示。

图2   从控制器及外围电路框图

4  软件设计方案 

4.1 主控制器软件设计

主控制器采用嵌入式plc芯片组，完成开关量输入输出、uart0、uart1、can、rs485/232互连和通信功能。基本软件框架由以下七个子程序组成。

init-config：端口初始化程序，完成输入输出端口配置，中间变量初始化，启动spi。

init-start：上电初始化程序，复位所有输出口。

init-set：设置初始化程序，复位所有输出口。

init-run：运行初始化程序。

step：指令周期扫描程序

tms：2.5ms周期扫描程序，采样输入口状态、刷新输出口状态、spi通信报文的发送和接收。

scan：演算周期扫描程序，输入口状态滤波，spi通信报文的解读。