用PLC主机直接控制四轴系统的方案设计

魏西营

摘 要：从FATEK FBs_PLC内部的SoC晶片入手，整合了4组硬体高速脉冲宽度调变输出，使其结构略作调整，用主机直接控制（不使用伺服模块）电机，实现四轴联动的伺服运行控制系统，其频率高达184.32 kHz。在设备制造领域内，使用者采用最经济的方法实现稳定、精准的控制，其有广泛的推广前景。

关键词：高速输出口；四轴联动；硬体高速PWM；伺服运行控制系统

中图分类号：TQ315 文献标识码：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2016.20.081

文章编号：2095-6835（2016）20-0081-01

可编程序控制器（programmable logic controller），简称PLC，是数字运算的操作系统，被广泛应用于工业控制领域。FBs-PLC特有0.1 ms时基之高速计时器提供误差0.1 ms的计时器和计时到（time-up）的即时中断处理功能。过去，PLC无法胜任精密计时或速度检测的场合，现在均可胜任，而且其功能也不再局限于逻辑控制。因为有高速脉冲输出（HSPSO）单机可作4轴直线补间伺服控制，再加上各轴细致平顺之加/减速功能，可以轻易完成多段变化且平顺、精准的直线路径或定位控制。

1 硬体结构和电气方案设计

根据课题要求，采用FATEK SoC Based 微型PLC作为主控制器，机型为FBs-24MCT。

FBs-PLC的输出（DO）：Y0、Y1、Y2、Y3为高速单相频率120 kHz，Y4、Y5、Y6、Y7为中速单相频率20 kHz，Y8、Y9为低速单相频率200 Hz，输出（DO）共8只。

因为课题项目为4轴电机伺服运行的脉冲驱动方式，则Y0、Y1控制电机1，Y2、Y3控制电机2，Y4、Y5控制电机3，Y6、Y7控制电机4.其中，输出（DO）Y4、Y5、Y6、Y7为中速20 kHz的频率没有达到课题项目指标，所以，将FBs-PLC拆开自己调整换位输出（DO）高速芯片Y1、Y3换位中速芯片Y4、Y6。这样，输出（DO）硬体参数达到了课题项目指标，并将电机的驱动方式选择为脉冲+方向控股。FBs-PLC的电气原理如图1所示。

该系统主要是由气动元件、机械部件、步进电动机和零位传感器组成的。根据课题项目的工艺流程，每组2只电机按时序伺服运行，项目中共分2组4轴同时独立工作。

2 项目工艺流程简介

第一组工艺流程：正绕圈、反绕圈、拉尾长、夹工件、切工件、抽芯杆、车头电机1复位（机械部件定位）、丝杆电机2回位（机械部分完成送料及定位）、松工件，往复循环运动。车头电机1零位——上电后系统车头电机1自动复位，车头的机械部件定位准确；丝杆电机2零位——点动复位钮，丝杆电机2移向零位传感位置，按下该钮电机2运行，反之则停止运行，到位后电机2自动停止运行。

在正绕圈和反绕圈时，车头电机1按系统参数高速旋转绕圈，丝杆电机2按参数设定伺服电机1时刻跟随运动。

第二组工艺流程与第一组相同，车头电机3零位——上电后，系统车头电机3自动复位，车头的机械部件定位准确；丝杆电机4零位——点动复位钮，丝杆电机4移向零位传感位置，按下该钮电机2运行，反之则停止运行，到位后电机4自动停止运行。

当车头电机3按照系统参数高速旋转绕圈时，丝杆电机4按照参数设定，伺服电机3时刻跟随运动。主机FBs-PLC遵循各组的工艺流程，系统自动分别控制4轴独立运行。

3 主要参数

根据课题项目的要求，系统采用高性能三相混合式步进电机的Q3HB64MA/B等角度恒力矩细分型驱动器。驱动电压为DC40 V，电流1～5.8 A可调。该驱动器采用类似伺服控制原理的电路，使电机低速运行平稳，无震动和噪声。在电机高速运行时，力距大大高于五相混合式步进电机。其主要引脚功能是，PU为脉冲信号，DR为方向控制信号，高电平为正向旋转，低电平为反向旋转。

步进电机1，2，3，4的最高转速为5 000 r/min，步进电机驱动器的细分为1 000脉冲/转，FBs-PLC输出（DO）Y0、Y2、Y4、Y6的最高输出频率为5 000 r/min×1 000脉冲/转=50 000 000脉冲/分=83.333 kHz。

4 总结

如果配合内建的HHSC作回授，尚可作闭环控制，对诸如元件磨损、老化、不良等作检测和相对的补偿，以获得更精准的控制。同时，还提供定位专用语言配合PLC梯形图的便利指令，以便轻易实现精密定位控制。在人机操作界面方面，通过MODEM拨号可以连接在海外的PLC，直接在办公室就可以实现无线远方修改程式、模拟控制、诊误和监视工作，会使工作变得更加人性化。从技术研发的角度看，很多国家都很重视PLC的开发设计，并将它的发展作为衡量科技发展的重要指标之一。