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1、倍福 Beckhoff 在步进电机控制中的应用研究倍福 Beckhoff 在步进电机控制中的应用研究 类别：传感与控制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
2、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。最终方案采用德国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
3、 Mbs 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
4、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CPq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，最后在机架末端安放 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，最后从控 制器到各级机架网络节点形成一个总线型的控制
5、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
6、 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PLCopenft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
7、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；350s处理12 000个数字量I/Q 100ns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
8、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07 A,保 持转矩0.065 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，提供了最大64个最大中间步，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
9、控制系统而设计的，每相尖峰电流 1.5 A o KL2541可以提供高达5 A的最大电流，能够驱动扭矩高达 5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 WindowsNT2000/XP/CE.NEKXP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 PLG
10、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次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，并且可以将最小任务周期时间 设置为50仙s（取决于所使用的CPUftt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高级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实时任务运彳T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PTR 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。