倍福Beckhoff在步进电机控制中的应用研究

　　该系统为某主机电控系统，完成对光束的准直过程中的参数诊断、数据采集、闭环控制等实时控制功能以及与主控系统的通信功能。步进电机以性价比高，实时效果好，不需要昂贵的反馈系统著称，该系统中采用了一千多个步进电机来实现对光束的准直。神光原型采用控制卡控制大量步进电机，控制卡控制步进电机没有负载位置的反馈信号，实时效果差，故障定位非常困难；试验中采用西门子PLC(Programmable Logic Controller，可编程逻辑控制器)控制这些电机可靠性好，但控制少量步进电机时比较简单，控制大量步进电机时时序复杂，接线复杂，成本高，调试困难。终方案采用德国Beckhoff公司的自动化产品，如嵌入式控制器，现场总线端子、步进电机总线端子等设备控制电机，该方案具有成本较低、操作简便、占用空间小等优点，也提高了系统的性能和可靠性，现已通过试验和*审进入调试阶段。

　　1 步进电机运动控制系统总体设计思想

　　电控系统的总体设计思想为：控制系统设计应分别满足现场独立控制与远程集中控制，各子系统具备对系统各类设备的状态进行实时监测的功能，包括故障定位检测和报警；具备对系统各设备进行参数设置、参数采集、存储、处理等功能。主控计算机位于主控制室内，通过1 000 Mb／s光纤网络与分控计算机通信，分控计算机通过光纤交换机与控制设备采用工业以太网通信，其网络拓扑图如图1所示。

　　2 步进电机运动控制系统设计方案

　　2.1 倍福步进电机总体控制架构设计

　　采用基于嵌入式PC的模块化运动控制器，型号为CX1020，运动控制器本身集成双Ethernet接口，其中一个向上连接到现场工业以太网，接受运动控制的调用指令，另一个可以作为本地调试的网络接口。运动控制器、运动控制网络接口部件、步进电机驱动器通过硬实时的超高速以太网EtherCAT(Ethernet for Controland Automation Technology)构成运动控制网络系统，采用EtherCAT取代以往的现场总线传输技术，可以显著减少控制系统CPU的负荷，而且无需任何智能主站卡，适合集中式与分布式控制体系。

　　末端端子与底层EtherCAT总线耦合器端子BK1120相连，在本机架内总线耦合器通过K-Bus总线接口连接电机驱动总线端子KL2531和KL2541，步进电机直接连接在这两个端子上，如果使用KL2541端子，还需要在机架上安设数字输入端子KL1002，用于接人步进电机限位信号，在机架末端安放BK9010总线终端端子。

　　每级机架上总线耦合器BK1120的另一网络端口向下依次级联另一机架上的总线耦合器，从控制器到各级机架网络节点形成一个总线型的控制网络拓扑结构。KL2531和KL2541是步进电机总线端子，提供一路20 kHz的脉冲，可以各带一个步进电机。步进电机总体控制架构如图2所示。

　　具体的控制器和通讯模块等数量配置见表1。

　　2.2 硬件组成

　　电机控制系统主要由控制服务器、运动控制器、电源模块、Ethernet交换数据的通讯模块和总线端子等组成。

　　2.3 重要器件概述

　　运动控制器采用基于嵌入式PC的模块化运动控制器，型号为CX1020，处理器为Intel Celeron MULV1 GHz，内存为256 MB／512 MB／1 024 MB，操作系统为Microsoft Windows XP Embedded或MicrosoftWindows CE。该运动控制器应用于中等规模的控制系统中，自带两个工业以太网EtherCAT接口，其中一个向上连接到现场工业以太网，接受运动控制的调用指令，另一个可以作为本地调试的网络接口。软件开发平台TwinCAT PLC(The Windows Control and Automation Technology PLC)使用符合采用IEC61131-3的编程语言编程，运动控制功能库符合PLCopen标准，具有通用的、开放式软件接口。

　　EtherCAT是与PC控制技术相匹配的通讯系统，以Beckhoff开发的实时工业以太网解决方案，其特点是性能优越、操作简便。该技术采用标准的以太网帧，支持因特网技术。以太网可以直接到达端子，以太网过程接口可以从2位扩展到64个字节；350μs处理12 000个数字量I／O；100μs处理100个电机轴等。EtherCAT适合于多种网络拓扑结构，可用于设备控制、机器人、嵌入式系统、楼宇自动化、运输系统等。

　　步进电机历史悠久，爆发力好，便于控制并且扭矩大，在控制领域内占有相当重要的地位。步进电机是一种将电脉冲转化为角位移的执行机构。当步进驱动器接收到一个脉冲信号，它就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度(称为“步距角”)。它的旋转是以固定的角度一步一步运行的。可以通过控制脉冲个数来控制角位移量，从而达到准确定位的目的。同时可以通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度，从而达到调速的目的。我们采用北京四通的两相混合式步进电机，型号为28BYG250C，步距角为0.9／1.8，静态相电流0～7 A，保持转矩0.065 N／m，定位转矩0.005 N／m，转动惯量12 gcm2。

　　KL2531和KL2541是集成的步进电机控制器，是Beckhoff产品中用于传统驱动器高性价比的产品。KL2531和KL2541均可以提供和小型伺服驱动器相近似的性能，提供了64个中间步，并提供一路20 kHz的脉冲，一路脉冲驱动一台步进电机。KL2531总线端子用于较低性能场合，该端子是为简单的整合到24 V直流电压控制系统而设计的，每相尖峰电流1.5 A。KL2541可以提供高达5 A的电流，能够驱动扭矩高达5 Nm的步进电机。端子的输出阶段，有以温度过高警报并且关断的形式的过载保护，同时还有短路保护功能，诊断数据可以通过控制器的过程映像区来取得，自带两路高速输入通道，快速准确记录当前位置，或实现急停功能。输出脉冲可以通过“EnableBit”启动，电机的电流可以通过参数值来进行设定。对电机的配置可以通过软件来完成，这样总线端子能容易的进行更换，而且参数可以存储或者被转移到下一个工程，无需通过电位器或者指拨开关来设定。

　　3 软件配置

　　Beckhoff公司基于PC平台的实时核技术可以将安装了Microsoft公司WindowsNT／2000／XP／CE.NET／XP嵌入式操作系统的普通PC和Beckhoff公司的嵌入式控制系统CX1000改造为具有实时能力的PC控制器。Beckhoff公司基于PC平台的实时核技术通过与3S公司提供的TwinCAT编程环境相结合，以及系统管理器对Beckhoff公司各种I／O设备的驱动程序相结合，使TwinCAT CP、I／O、PLC、PTP和NCI构成了一套完整的基于PC平台的实时控制器解决方案。

　　TwinCAT软件具备四套独立运行的PLC实时核，每套PLC都可分配4个任务，并且可以将任务周期时间设置为50μs(取决于所使用的CPU处理能力)。TwinCAT PLC控制是用于PLC的完整开发环境，所使用的编辑器和调试功能建立在编程语言开发环境基础之上，在TwinCAT PLC中可以使用IEC61131-3的五种不同语言创建PLC程序。TwinCAT实时任务运行的载荷率(TwinCAT实时任务运行时间与操作系统运行时间的比率)可调范围为10％～90％。并在此基础上，将伺服控制中的PTP、NCI和HMI技术拓展到系统管理器和TwinCAT编程环境中。

　　4 结 语

　　该设计方案已经通过实验阶段进入正式调试阶段，在该过程中，可以发现倍福产品有很多优点，占用的空间小。现场总线端子的主要特点是性价比高，质量可靠，结构紧凑，坚固耐用，而且安装和接线非常方便。EtherCAT技术具有高度的通用性，基于EtherCAT的系统可以大大缩短研发速度。