机电一体化精确定位装置电控部分的选型与设计

摘要：机电一体化精确定位装置的电控部分以可编程逻辑控制器作为控制核心，发送指令改变电机的转动速度、转动方向。为了实现快速、精确定位，一方面需要做好电控部分硬件设备的选型，包括可编程逻辑控制器、步进电机、伺服电机、触摸屏与通信光缆等；另一方面还要科学分配可编程逻辑控制器的输入/输出口（Input/Output，I/O），以及设计电控程序等，进一步提高精确定位装置的使用效果。

关键词：机电一体化精确定位装置步进电机通信线缆

中图分类号：TP273

SelectionandDesignoftheElectronicControlPartforMechatronicsPrecisePositioningDevice

WUSenlin

HubeiLightIndustryTechnologyInstitute，Wuhan，HubeiProvince，430070China

Abstract：Theelectroniccontrolpart ;ofthemechatronicsprecisepositioningdeviceusesaprogrammablelogiccontrollerasthecontrolcoretosendinstructionstochangethemotor'srotationalspeedanddirection.Inordertoachievefastandprecisepositioning，ontheonehand，itisnecessarytoselectthehardwareequipmentfortheelectricalcontrolpart，includingprogrammablelogiccontrollers，steppermotors，servomotors，touchscreens，andcommunicationopticalcables;Ontheotherhand，itisnecessarytoscientificallyallocatetheInput/Output（I/O）portsofprogrammablelogiccontrollersanddesignelectricalcontrolprogramstofurtherimprovetheeffectivenessofprecisepositioningdevices.

KeyWords：Mechatronics;Precisepositioningdevice;Steppermotor;Communicationcables

机电一体化实现了加工制造的自动化，精确定位装置作为机电一体化产品的组成部分，采用闭环控制模式，首先通过人机交互界面编辑指令，经过PLC将指令转化成对应的控制信号，然后驱动步进电机以特定的速度、方向转动，并带动丝杠转动。位于前端的传感器会实时监测位置信号，并将信号重新反馈给PLC。PLC将设定位置与当前位置进行对比，根据两者的差值重新生成调控指令，改变步进电机的转速和方向。重复上述过程，直到实际位置与设定位置完全相同，实现了精确定位。在上述闭环控制过程中，电控部分可编程控制器、步进电机以及触摸屏的选型与设计，是决定定位效果的关键因素。

1精确定位装置电控部分硬件的选型

1.1可编程逻辑控制器的选型

可编程逻辑控制器是精确定位装置电控部分的核心，综合考虑性能、功耗以及稳定性等因素，选择了三菱FX3U-64MT/DS作为精确定位装置的主控制器。该元件采用集成化设计，尺寸小巧（200mm×90mm×85mm）、稳定性好。工作电压为直流24V，内置64个I/O口，其中32个为输入点，32个为输出点，功能丰富。有6个频率为10kHz上的高速计数器，3个128kB的高速通信编程口，具备较强的通信能力。为了满足精确定位的需要，在FX3U-64MT/DS的基础上加装了1个用于定位的扩展单元，该单元采用FX2N-1PG脉冲发生器，可以向伺服步进马达提供最大100KPPS的脉冲，利用4个I/O口与FX3U-64MT/DS可编程逻辑控制器实现数据传输。FX2N-1PG脉冲发生器有12个端子，包括用于执行机器原位返回操作的端子，用于连接24V直流电源的端子，以及用于输出前向脉冲的端子等。

1.2步进电机的选型

选择步进电机时，除了要满足结构简单、易于控制、运行稳定等基本要求外，还要从精确定位功能出发考虑以下两点：一是步进电机的最大静力矩必须满足传动系统在空载状态下实现快速启动的力矩要求；二是步进电机的启动矩频特性、工作矩频特性，必须满足传动系统在正常工况下对于启动力矩、启动频率的要求[1]。综上，在精确定位装置的电控部分中选择了FL86STH118-6004A型两相混合式步进电机，最大径向负载215N，最大轴向负载80N；步距角2.2°，保持转矩96kg·cm，定位转矩3.6kg·cm，转动惯量2580g·cm2。该步进电机选用冷轧高硅片作为主体材料，能够有效减少磁损和降低温升，在延长设备使用寿命的基础上还能降低电机堵转、异常振动等问题的发生率，对提高精确定位装置的电控效果有积极帮助。

1.3触摸屏的选型

触摸屏为精确定位装置电控部分提供了人机交互功能，既可以直观、实时显示位置信息，又能方便工作人员编辑和发送控制指令[2]。在选择触摸屏时，除了满足界面简洁、操控灵活、坚固耐用等基本要求外，还要考虑触摸屏与可编程逻辑控制器之间的兼容性。基于上述要求，选择了MT4414T彩色触摸屏，分辨率800×480，CPU频率750MHz，拥有较强的数据传送和处理能力；亮度320cd/m2，触控面板采用4线精密电阻网络，内置512kB的配方存储器；额定电压为直流24V，额定功率3.6W，待机状态下功率仅为0.5W，能耗极低。通过RS485通信接口将MT4414T触摸屏与FX3U-64MT/DS可编程逻辑控制器连接，一方面可以将可编程逻辑控制器处理后的信息发送给触摸屏并进行显示，另一方面也能通过触摸屏向可编程逻辑控制器发送指令。

1.4通信线缆的选型

在精确定位装置的电控部分，需要在可编程逻辑控制器与步进电机、触摸屏等设备之间实现通信，保证位置调控效率。考虑到机电一体化产品的运行环境中存在干扰，为了提高抗干扰能力、保证通信质量，必须要科学选择通信线缆。同时，由于精确定位装置的主控制器已经确定选用FX3U-64MT/DS单片机，该元件采用RS485专用通信，因此选择的通信线缆必须与RS485通信接口有良好的兼容性。综上，在电控部分的设计中选择了施耐德（Schneider）通信线缆，该线缆可自定义是否使用专用传输控制协议，如果将B15位设为“1”，表示使用传输控制协议；反之，将B15位设为“0”，表示不使用传输控制协议。为了保证信号波特率和通信格式的一致性，利用特殊数据寄存器对通信线缆中传输的数据进行通信格式（如奇偶性、头字符、校验码等）处理[3]。

1.5光纤传感器的选型

在机电一体化产品的使用过程中，要想实时获取装置的当前位置，需要利用传感器获取位置信息，并同步发送给可编程逻辑控制器。在传感器的选型上，需要同时满足位置检测精确性、信号传递高效性等要求。基于此，在电控部分的设计中选择了E3X-DA-S/E3X型光纤传感器。其工作原理是利用待测量对光纤内传输的光波参量进行调制，并得到相应的调制信号。通过光纤将该调制信号发送到光探测器，完成解调处理，获得待测量值。光纤传感器的优势在于将待测信号转换成光信号进行传送、处理，保证了信号即便是在长距离传输过程中也不会发生明显的损耗，从而提高了最终处理结果的精确性。

2精确定位装置电控部分的设计

2.1输入/输出点的分配

电控部分的主控制器FX3U-64MT/DS通过RS485通信接口与驱动器连接，驱动器根据光纤传感器采集到的数据判断实时位置信息，并将位置信号通过RS485接口同步反馈给可编程逻辑控制器[4]。在接收信号后，可编程逻辑控制器会根据设定程序自动调整输出脉冲的频率与数量，并将脉冲信号发送给前端的执行机构伺服电机，改变转动速度和转动方向，进而实现对移动距离的动态和精准调控。为了满足上述电控要求，需要对FX3U-64MT/DS单片机的I/O口进行合理分配，分配结果见表1，X表示输入口，Y表示输出口。

2.2触摸屏的组态设计

在触摸屏的开发与设计中，使用了与MT4414T触摸屏配套的组态软件进行人机界面的开发。该软件内置图形管理库，提供了海量的静态和动态图形，并且提供图形处理工具，开发人员可根据需要使用这些工具对图形管理库中的任意图形进行缩放、剪切等处理，以便于生成多种类型的应用画面，保证了人机界面的友好性。触摸屏上电后显示初始画面，提供“定位参数设定”“伺服参数设定”以及“定位显示”“自动定位”“报警复位”和“程序初始化”等操作功能，按下对应的按钮即可执行相应的功能[5]。以“定位参数设定”为例，点击该按钮后，跳转至对应的子页面，可以手动设定定位目标距离（前向）、定位目标距离（后向）、设置运行速度、加减速时间等内容。

2.3电控程序设计

精确定位装置电控流程为：由可编程逻辑控制器发送运行指令，电源通电，步进电机正常上电后开始启动，并根据指令内容进行快速转动。在步进电机转动过程中，传感器实时采集行程信息，并判断当前行程是否达到设定行程的90%。如果判断为“否”，则维持当前转速继续运行，直到判断结果为“是”，然后可编程逻辑控制器发送指令，使步进电机的工况由“快转”调整为“慢转”，同时重新执行一个判断程序“当前行程是否达到设定行程的98%”。如果判断为“否”，维持当前转速继续运行，指导判断结果为“是”，然后可编程逻辑控制器发送指令，使伺服电机快转，达到设定位置后伺服电机停转，从而在电控模式下实现了精准定位。电控程序设计如图1所示。

3结语

机电一体化产品在实际应用中必须要兼顾效率与精度，才能发挥机电一体化的应用优势。特别是在制造业向高端转型的背景下，对精确定位提出了更加严格的要求。在设计精确定位装置时，应当对电控部分硬件部分进行合理选型，同时对电控程序、人机交互等进行科学设计。遵循稳定性、易用性、性价比等原则，挑选符合要求的可编程逻辑控制器、步进电机与触摸屏、光纤传感器，保证电控部分各组成元件之间的信息共享，提高了控制精度，保证精确定位装置的应用效果，对促进机电一体化的发展也有积极帮助。

参考文献

[1]吴丽萍.一种基于伺服电缸的定位装配装置系统设计[J].机电技术，2021（4）：41-42.

[2]单成伟，刘丰帧，吕小强，等.基于CSS精确定位技术的胶轮车运输监控系统[J].煤矿机电，2020（3）：134-135.

[3]王晓瑜.基于PLC与HMI的伺服电机运动控制系统设计与实现[J].自动化与仪表，2022（7）：37-39.

[4]杨斌斌，高润玉，韩星星.基于组态王和触摸屏的电机温度监测系统设计[J].电子测量技术，2020（18）：50-52.

[5]谢雪丹，徐善智.基于PLC的矿井提升机电控系统设计[J].电子技术，2023（5）：98-99.