摘要：本文介紹了一種應(yīng)用于圓網(wǎng)印花機(jī)控制系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)控制器的設(shè)計(jì)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(jī)，主從控制器組合設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)點(diǎn)動(dòng)、定位、插補(bǔ)、電子齒輪等運(yùn)動(dòng)控制功能。用戶可以使用標(biāo)準(zhǔn)梯形圖語(yǔ)言進(jìn)行編程，多個(gè)運(yùn)動(dòng)控制器通過(guò)CAN通訊接口互連，很容易組成多軸聯(lián)動(dòng)控制。
關(guān)鍵詞：圓網(wǎng)印花機(jī)、嵌入式PLC芯片組、梯形圖語(yǔ)言、脈沖分頻、SPI通訊、運(yùn)動(dòng)控制器
圓網(wǎng)印花機(jī)是一種印染后處理機(jī)電設(shè)備，對(duì)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(jī)械傳動(dòng)控制，印花精度低，機(jī)械傳動(dòng)噪音大，使用壽命短。20世紀(jì)90年代末，國(guó)產(chǎn)圓網(wǎng)印花機(jī)開(kāi)始采用分電機(jī)獨(dú)立傳動(dòng)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(jī)多機(jī)控制、計(jì)算機(jī)分布式控制、PLC控制及CAN現(xiàn)場(chǎng)總線等控制方式。
黃石市科威自控有限公司運(yùn)用嵌入式PLC芯片組，生產(chǎn)的EASY-KP3-M0506R型運(yùn)動(dòng)控制器是集PLC功能、CAN總線功能于一體的運(yùn)動(dòng)控制部件，與步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器或伺服驅(qū)動(dòng)器配套使用，具有對(duì)步進(jìn)電機(jī)或伺服電機(jī)進(jìn)行點(diǎn)動(dòng)、定位、脈沖正反插補(bǔ)、脈沖分頻等功能，多個(gè)運(yùn)動(dòng)控制器通過(guò)CAN通訊接口互連，其中一臺(tái)運(yùn)動(dòng)控制器作為主站，接人機(jī)界面，實(shí)現(xiàn)工藝集中顯示、控制和管理，如配備Web服務(wù)器還可實(shí)現(xiàn)控制系統(tǒng)的遠(yuǎn)程監(jiān)控和診斷。
1、 運(yùn)動(dòng)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(yùn)動(dòng)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(diǎn)后有效數(shù)字為3位。
· 開(kāi)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(jī)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(jì)方案
主控制器采用嵌入式PLC芯片組，完成開(kāi)關(guān)量輸入輸出、UART0、UART1、CAN功能。從控制器采用C8051F330單片機(jī)，指令運(yùn)算速度高達(dá)25MIPS。從控制器對(duì)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(guò)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(shí)時(shí)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(shuō)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(shí)時(shí)內(nèi)核，具備PLC功能和CAN、RS232/485通訊功能，能夠完成常規(guī)過(guò)程控制（如IO、AD、DA、高速輸入輸出）的控制模塊。過(guò)程控制功能的實(shí)現(xiàn)使用梯形圖語(yǔ)言編程，通訊功能只需簡(jiǎn)單設(shè)置便可完成，其它接口信號(hào)的輸入輸出使用匯編語(yǔ)言或C語(yǔ)言編程，大大簡(jiǎn)化了產(chǎn)品的設(shè)計(jì)過(guò)程。
4．2、開(kāi)關(guān)量輸入輸出
采集開(kāi)關(guān)量輸入信號(hào)，輸出控制信號(hào)，所有信號(hào)必須隔離，提高抗干擾性能。所有開(kāi)關(guān)量輸入輸出信號(hào)在梯形圖中都可以編程，用戶根據(jù)實(shí)際需要定義每個(gè)IO點(diǎn)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(jī)界面。
4．4、UART1
支持三菱FX2N計(jì)算機(jī)鏈接方式格式1的部分主從站協(xié)議，具體協(xié)議格式請(qǐng)參見(jiàn)科威公司《EASY原理及應(yīng)用》一書(shū)，按照此協(xié)議可實(shí)現(xiàn)其它設(shè)備或操作終端與運(yùn)動(dòng)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(jiǎn)單設(shè)置，就可實(shí)現(xiàn)不同運(yùn)動(dòng)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(guò)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(duì)輸入脈沖進(jìn)行分頻，然后輸出對(duì)應(yīng)頻率的脈沖控制步進(jìn)或伺服電機(jī)。用戶根據(jù)實(shí)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(diǎn)動(dòng)、定位、插補(bǔ)、改變分頻系數(shù)等。從控制器通過(guò)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(shí)發(fā)送/接收模式，嵌入程序初始化時(shí)，啟動(dòng)SPI發(fā)送，定時(shí)時(shí)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(bào)文發(fā)送完成后，暫停發(fā)送等待主程序處理報(bào)文，報(bào)文處理完后啟動(dòng)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(bào)文接收完成后，對(duì)應(yīng)的有相同字節(jié)的報(bào)文發(fā)送完成。此時(shí)從站停止接收?qǐng)?bào)文，等待主程序處理接收到的報(bào)文，報(bào)文處理完后，才啟動(dòng)下一輪報(bào)文接收過(guò)程。
報(bào)文結(jié)構(gòu)：STX+報(bào)文內(nèi)容+ETX+CRC
STX：報(bào)文起始代碼，固定為02H
報(bào)文內(nèi)容：起始2個(gè)字節(jié)為命令字對(duì)應(yīng)的ASCII碼，以區(qū)別不同的報(bào)文，后面為報(bào)文實(shí)際數(shù)據(jù)，全部采用ASCII碼
ETX：報(bào)文結(jié)束代碼，固定為03H
CRC：校驗(yàn)和，報(bào)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(jì)人員編寫，基本軟件框架由以下七個(gè)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(dòng)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(yùn)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(bào)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(bào)文的解讀。
具體請(qǐng)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(gè)執(zhí)行機(jī)構(gòu)，它接受主控制器的命令執(zhí)行不同的動(dòng)作，并把執(zhí)行的狀態(tài)反饋給主控制器，主要由以下5個(gè)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(dòng)SPI、INT0中斷。
INT-INT0：外部中斷0服務(wù)程序，對(duì)輸入脈沖進(jìn)行分頻處理及脈沖插補(bǔ)。
INT-SPI：SPI中斷服務(wù)程序，SPI通訊報(bào)文的接收和發(fā)送。
INT-T3：定時(shí)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(bào)文，完成脈沖點(diǎn)動(dòng)、定位功能。
6、 設(shè)計(jì)總結(jié)
本文提出了一種運(yùn)用嵌入式PLC芯片組和其它高速單片機(jī)進(jìn)行組合設(shè)計(jì)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(jì)者只專注于接口部件的軟硬件設(shè)計(jì)，使產(chǎn)品設(shè)計(jì)流程縮短2/3的時(shí)間，可靠性易于保證。雖然該運(yùn)動(dòng)控制器是針對(duì)圓網(wǎng)印花機(jī)系統(tǒng)定型設(shè)計(jì)，但由于用戶可采用梯形圖進(jìn)行編程，以實(shí)現(xiàn)不同的功能，所以也可運(yùn)用于其它運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)。運(yùn)用嵌入式PLC芯片組進(jìn)行組合設(shè)計(jì)是一種全新的產(chǎn)品設(shè)計(jì)思路，嵌入式PLC芯片組給廣大的產(chǎn)品設(shè)計(jì)人員帶來(lái)一種快捷、高效、可靠 的設(shè)計(jì)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(yáng)新華龍有限公司 《C8051F040數(shù)據(jù)手冊(cè)》
3.沈陽(yáng)新華龍有限公司 《C8051F330數(shù)據(jù)手冊(cè)》
4. 黃石科威自控有限公司 《EASY編程手冊(cè)》
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