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基于PLC的两轴运动控制系统设计
学生：张坤森
学号：2014062038
指导教师;彭宽栋
专业：机电一体化
杭州科技职业技术学院
摘要：以可编程控制器PLC作为运动控制系统的核心，步进电机作为运动控制系统的执行机构，设计了基于PLC的两轴运动控制系统；通过PLC高速脉冲口输出高速脉冲，实现了单轴运动或者两轴运动；
采用触摸屏作为操作面板，建立了友好的人机交互界面。
关键词：机械制造自动化；PLC；步进电机；运动控制
0前言步进电机是一种将电脉冲转化为角位移的执行机构。步进电机开环控制结构简单，可靠性高，价格低。但当起动频率太高或者负载太大，步进电机极易失步。而步进电机闭环控制可以克服以上缺点，提高系统精度和稳定性。在闭环控制系统中，采用增量式编码器作为反馈装置。而PLC作为一种工业电脑，具有逻辑控制、步进控制、数据处理、存储功能、自诊断功能、通信联网等功能，而且具有较高的可靠性、较强的抗干扰性、较好的通用性等优点。所以，使用PLC控制步进电机，构建两轴运动控制系统，具有重要意义。
1系统组成本文所实现的示教与再现功能系统组成框图如图1所示。采用西门子S7-200系列的CPU226DC/DC/DCPLC作为主控制器。该CPU具有4个最高20kHz的正交高速脉冲计数器,能够对输入的正交编码脉冲信号进行4分频[5];2个最高20kHz的高速脉冲输出;24个输入点和16个输出点;其布尔型指令执行时间只有0.22μs[6]。

2系统总体设计该运动控制系统由触摸屏、PLC、步进电机驱动器、步进电机、限位开关、急停开关、编码器等组成。操作者通过触摸屏端操作，向PLC发出控制指令，PLC根据控制指令和内部梯形图控制相应步进电机动作，步进电机将带动相应的进给轴动作，同时，PLC将采集与步进电机相连的编码器产生的反馈信号，并将反馈信号返回给触摸屏，以完成整个系统的反馈环节。此外，外部限位开关用于限定运动系统的极限位置，急停开关用于发生突发状况时，立即停止机器，防止伤害或者损失扩大。系统总体设计框图如图1

3系统硬件设计该运动控制系统采用“脉冲+方向”方式控制步进电机，即PLC输出高速脉冲和方向信号，完成对步进电机的控制。同时，PLC输入端的高速计数口对编码器信号进行计数。此外，外部限位开关、急停开关、功能按钮也需分配PLC相应的输入端口。因此，选择了三菱FX3U-64MT，该PLC是第三代微型可编程控制器，内置独立3轴100kHz定位功能，具有高速计数功能，完全满足系统要求。PLC端口分配如表1所示。
4系统控制方案设计该运动控制系统主要解决两方面的问题：一是两轴运动的插补算法问题，因为PLC本身不具有插补计算功能，因此需要设计合适的插补算法，通过编程方法来实现插补；二是区分单轴运动和两轴运动，单轴运动时，判断是哪根轴运动以及怎样运动，两轴运动时，两根轴是怎样运动。传统的逐点比较法尽管算法简单，但是不能实现两轴同动；数字积分法虽然作了一定的改良，但是该算法两轴速度比恒定，算法不易掌握，并且不能保证连续实现两轴同动。针对以上插补算法的不足，提出了另一种插补算法：两轴同动法，其原理是每次向两个坐标轴分别输出各自的进给脉冲，在同一时间内，两个坐标轴分别独立地完成规定的进给量，根据直线合成原理，两轴同动的结果是得到一条直线，原给距离为Ly，则在两轴同动情况下，各分量如表2所示。

由于步进电机的输出位移量与输入脉冲数成正比，其速度与单位时间内输入脉冲数〔即脉冲频率〕成正比，此时，PLC只需向X轴和Y轴步进电机同时输出各自脉冲总数和脉冲频率，同时，输出步进电机方向控制信号，就可以完成直线运动轨迹。两轴运动控制系统的运动情况主要有2种，即单轴运动和两轴运动。该系统采用如下指令来实现单轴运动或两轴运动。
LDX023MOVD0K2Y004LDY010DDRVAD1D2Y000Y004LDY011DDRVAD3D4Y001Y005LDM8000DHSCRD1C235Y010DHSCRD3C236Y011
当按下启动按钮后，PLC执行内部梯形图程序，用D0的每个位来控制Y004到Y013输出口的动作。其中选择Y004作为X轴电机方向控制信号，Y010作为判断X轴电机是否运行的条件，即当Y010为高电平时，X轴电机动作，同时选择Y005作为Y轴电机方向控制信号，Y011作为判断Y轴电机是否运行的条件，即当Y011为高电平时，Y轴电机动作。电机状态控制表如表3所示。当PLC高速计数口对编码器的计数值与预设值相等时，Y010或者Y011将会被复位，电机停止。

5触摸屏界面设计
该系统采用三菱GS2107触摸屏作为操作面板，操作者通过触摸屏端操作，实现不同的控制功能。手动模式下，操作者可以进行X轴点动、Y轴点动操作。自动模式下，操作者通过输入起