基于PCC的直線電機(jī)運(yùn)動控制系統(tǒng)

武榮榮，盧勝利，王利強(qiáng)

（1.天津職業(yè)技術(shù)師范大學(xué)電子工程學(xué)院，天津300222；2.天津職業(yè)技術(shù)師范大學(xué)工程實(shí)訓(xùn)中心，天津300222）

基于PCC的直線電機(jī)運(yùn)動控制系統(tǒng)

武榮榮1，盧勝利2，王利強(qiáng)1

（1.天津職業(yè)技術(shù)師范大學(xué)電子工程學(xué)院，天津300222；2.天津職業(yè)技術(shù)師范大學(xué)工程實(shí)訓(xùn)中心，天津300222）

針對傳統(tǒng)電機(jī)運(yùn)動控制系統(tǒng)存在的穩(wěn)定性差、控制方式復(fù)雜、編程困難等問題，提出一種基于可編程計(jì)算機(jī)控制器（PCC）的直線電機(jī)運(yùn)動控制系統(tǒng)。將Matlab軟件中的直線電機(jī)運(yùn)動控制系統(tǒng)模型直接導(dǎo)入到編程軟件AS中，自動生成C代碼，通過軟件設(shè)計(jì)和PCC硬件配置，實(shí)現(xiàn)控制。該設(shè)計(jì)使電機(jī)運(yùn)動控制系統(tǒng)在PCC上集成為一體，設(shè)計(jì)方便，便于直接控制，具有廣闊的應(yīng)用前景。

可編程計(jì)算機(jī)控制器；電機(jī)運(yùn)動控制系統(tǒng)；Automation Studio

隨著時代的發(fā)展，運(yùn)動控制系統(tǒng)對智能裝備性能的影響越來越大［1］。因此，對電機(jī)運(yùn)動控制系統(tǒng)的研究必不可少。作為控制對象的直流電機(jī)，能將電能直接轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，省去了中間的轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)，具有機(jī)械結(jié)構(gòu)簡單、運(yùn)行速度快、行程長、使用和維護(hù)方便的優(yōu)點(diǎn)［2］。傳統(tǒng)的控制方式采用仿真與運(yùn)行分別進(jìn)行的方式，觀察很不方便，且控制方式和編程非常復(fù)雜。貝加萊的可編程計(jì)算機(jī)控制器能夠滿足各種復(fù)雜、高動態(tài)特性的運(yùn)動控制，其編程軟件Automation Studio集編程、仿真、控制、檢測和網(wǎng)絡(luò)通訊等于一身，使控制更加便捷和高效。本文對直線電機(jī)運(yùn)動控制系統(tǒng)進(jìn)行分析，并將其導(dǎo)入到軟件AS中自動生成C代碼，對電機(jī)位置進(jìn)行仿真，最后通過網(wǎng)絡(luò)連接將該項(xiàng)目下載到PCC硬件上，得到電機(jī)實(shí)際運(yùn)行的位置和速度圖。

1　可編程計(jì)算機(jī)控制器

奧地利貝加萊的可編程計(jì)算機(jī)控制器（programmable computer controller，PCC）包括邏輯控制、過程控制、運(yùn)動控制、數(shù)據(jù)處理及連網(wǎng)通信等，是真正的多功能控制器。但從其本質(zhì)上來說，PCC仍然是一種可編程邏輯控制器（programmable logic controller，PLC）。與傳統(tǒng)的PLC相比較，PCC具有以下優(yōu)勢：采用先進(jìn)的分時多任務(wù)操作系統(tǒng)、具有強(qiáng)大的浮點(diǎn)運(yùn)算功能、支持梯形圖與各種高級編程語言等［3］。簡而言之，PCC不僅可以減少系統(tǒng)硬件投入、降低成本，同時可以提高系統(tǒng)的可靠性。

Automation Studio是由貝加萊公司開發(fā)的一個集成化編程環(huán)境，它可以在一個PLC中同時使用多種編程語言來編寫程序，滿足不同編寫人員的要求以及編程方式。由于所有的編程語言在Automation Studio中使用的是統(tǒng)一的編譯器、診斷工具和處理方式，因而使編程工作簡單且高效。

Matlab軟件中的Simulink與編程軟件Automation Studio的連接具有其他軟件無法媲美的優(yōu)點(diǎn)。這種方式通過對電機(jī)數(shù)學(xué)模型的研究，使Simulink中的電機(jī)控制系統(tǒng)在Automation Studio中自動生成C代碼，再經(jīng)過軟件的設(shè)計(jì)和硬件的配置，使電機(jī)按控制要求運(yùn)行。Automation Studio的“ALL In One”工具包可完成代碼自動生成、編程、仿真、控制和網(wǎng)絡(luò)通訊，將整個電機(jī)運(yùn)動控制系統(tǒng)集成為一體，為多種控制需求的電機(jī)運(yùn)動控制系統(tǒng)提供一個完整的運(yùn)行平臺。

2　電機(jī)運(yùn)動控制系統(tǒng)

2.1運(yùn)動控制

運(yùn)動控制是通過對電流、速度、位置的實(shí)時采集，經(jīng)過反饋和參數(shù)的設(shè)定，使其按照預(yù)定的設(shè)想運(yùn)行。運(yùn)動控制系統(tǒng)主要由控制部分、信號放大部分、電機(jī)模型部分和反饋部分組成。通過信號放大部分，小信號得到放大，給電機(jī)提供足夠的動力；通過反饋部分，可將輸出與輸入進(jìn)行比較，通過調(diào)節(jié)使運(yùn)行效果更好。

2.2控制系統(tǒng)

為使電機(jī)運(yùn)動控制系統(tǒng)具備較好的動態(tài)性能和較寬的頻帶，滿足驅(qū)動機(jī)構(gòu)對于位置和速度的高精度跟蹤要求，控制系統(tǒng)采用電流環(huán)、速度環(huán)和位置環(huán)三閉環(huán)的伺服控制［4］。三環(huán)伺服控制系統(tǒng)就是在雙閉環(huán)控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)上串級一個位置外環(huán)，它擁有更強(qiáng)的抗干擾作用，使系統(tǒng)運(yùn)行更加平穩(wěn)。該直線電機(jī)控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)包括直線電機(jī)、電機(jī)控制芯片、雙極式可逆PWM控制裝置、直線位移檢測裝置。反饋環(huán)節(jié)中的直線位移檢測裝置測得的實(shí)際位移與參考量位移相比較所得到的位置偏差，經(jīng)PID運(yùn)算后得到的輸出值就是控制直線電機(jī)的控制電壓。直線電機(jī)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1　直線電機(jī)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

3　生成代碼及驅(qū)動連接

將仿真工具BR Automation Studio Target for Simulink安裝在Matlab軟件界面下。安裝完畢后，Simulink Library菜單目錄下會出現(xiàn)B&R Automation Studio工具箱的子目錄，該子目錄下包括B&R設(shè)置塊、B&R輸入塊、B&R輸出塊、B&R參數(shù)塊等［5］，這些功能塊會代替原有模塊，加入到電機(jī)控制系統(tǒng)仿真模型中。其中，將輸入信號轉(zhuǎn)換為input模塊；將需要調(diào)節(jié)的PID參數(shù)用parameter模塊表示，這樣有利于在PLC中實(shí)時調(diào)節(jié)參數(shù)；將輸出信號轉(zhuǎn)換為output模塊。在Matlab/Simulink完成建模后，打開Automation Studio軟件，配置Matlab和AS中的一系列相關(guān)參數(shù)，通過啟動C代碼生成按鈕，C代碼便自動生成并植入到編程環(huán)境AS中。

在Automation Studio軟件中，對生成的C代碼程序進(jìn)行仿真，輸出結(jié)果為電機(jī)運(yùn)動的實(shí)時位置，位置輸出曲線如圖2所示。從圖2可以看出，電機(jī)一直在做往復(fù)運(yùn)動，運(yùn)行穩(wěn)定、速度快。

圖2　電機(jī)運(yùn)動位置

在Automation Studio軟件中添加驅(qū)動，通過對其參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，可使控制簡單有效。在實(shí)際硬件中，通過POERLINK總線使PCC與驅(qū)動連接，再經(jīng)驅(qū)動專門的接口與電機(jī)連接。驅(qū)動方案的結(jié)構(gòu)是：PCC—驅(qū)動器—電機(jī)。在驅(qū)動控制過程中，數(shù)據(jù)交換有2種類型：一是把參數(shù)和命令從控制器發(fā)送到伺服，控制電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)；二是把狀態(tài)數(shù)據(jù)從伺服發(fā)送到控制器，通過反饋比較，使電機(jī)運(yùn)行更精確。驅(qū)動控制和通訊框圖如圖3所示。

圖3　驅(qū)動控制和通訊

4　硬件及結(jié)果分析

PCC在B&R X20系列可編程計(jì)算機(jī)控制器CP1486的基礎(chǔ)上，配以電源模塊、人機(jī)界面、直線電機(jī)驅(qū)動器、直線電機(jī)和編碼器，組成性能優(yōu)越、可靠性高、操作方便的電機(jī)運(yùn)動控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)的PCC硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)包括CPU模塊、各種I/O模塊、通訊模塊和液晶顯示觸摸屏HMI等。

將完整的AS項(xiàng)目下載到PCC硬件中進(jìn)行實(shí)際系統(tǒng)控制［6］，通過具體的軟件設(shè)置和硬件連接，實(shí)現(xiàn)電機(jī)的運(yùn)行。從編程軟件AS中可以實(shí)時監(jiān)控電機(jī)的運(yùn)行位置和速度，電機(jī)實(shí)際運(yùn)行圖如圖4所示。

圖4　電機(jī)實(shí)際運(yùn)行圖

從圖4（a）中可以看出，電機(jī)按照一定的規(guī)律在做往復(fù)運(yùn)動，位置運(yùn)行穩(wěn)定；從圖4（b）中可以看出，對應(yīng)的速度運(yùn)行穩(wěn)定。通過AS的監(jiān)控顯示，可以實(shí)時了解電機(jī)運(yùn)行狀況，便于觀察。

5　結(jié)束語

本文將直線電機(jī)運(yùn)動控制系統(tǒng)導(dǎo)入到AS軟件中，自動生成C代碼，避免了編程困難；對電機(jī)位置進(jìn)行仿真可知，電機(jī)運(yùn)行的穩(wěn)定性較好；通過網(wǎng)絡(luò)連接將編程軟件AS中的該項(xiàng)目下載到PCC硬件上，對得到電機(jī)實(shí)時運(yùn)行的位置和速度圖進(jìn)行分析，可知該電機(jī)運(yùn)行良好，控制簡便。該系統(tǒng)經(jīng)擴(kuò)展后，在PCC中可以同時控制多臺電機(jī)運(yùn)行，形成一個生產(chǎn)平臺，進(jìn)而提高生產(chǎn)效率，降低成本。此外，該系統(tǒng)安裝調(diào)試方便，具有廣闊的應(yīng)用前景。

［1］帥梅，楊向東，陳懇．基于DSP多軸運(yùn)動控制系統(tǒng)的研究實(shí)現(xiàn)［J］．制造業(yè)自動化，2005，27（6）：34.

［2］周喜．高頻響音圈直線電機(jī)運(yùn)動系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)研究［D］．天津：天津職業(yè)技術(shù)師范大學(xué)，2013．

［3］齊蓉，肖維榮．可編程計(jì)算機(jī)控制技術(shù)［M］．北京：電子工業(yè)出版社，2009．

［4］陳勤，曾岳南，陳康平．基于DSP/BOIS的直線電機(jī)伺服系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］．北京機(jī)電工程技術(shù)，2013，42（5）：39.

［5］李磊，黃梓瑜，李剛．Simulink PLC Coder在貝加萊運(yùn)動控制系統(tǒng)中的應(yīng)用［J］．儀表技術(shù)，2011（6）：59-61.

［6］郭皓，齊蓉，康永泰．基于PLC的彈性扭轉(zhuǎn)系統(tǒng)控制與研究［J］．微電機(jī)，2014，47（8）：52.

Linear motor motion control system based on PCC

WU Rong-rong1，LU Sheng-li2，WANG Li-qiang1
（1.School of Electronic Engineering，Tianjin University of Technology and Education，Tianjin 300222，China；2.Engineering Training Center，Tianjin University of Technology and Education，Tianjin 300222，China）

A linear motor motion control system based on PCC is proposed in this paper，because of poor stability，complex control mode and programming difficulty existing in the traditional motor motion control system.The linear motor motion control system model in the MATLAB software will be imported directly into the programming software，then it automatically generates C code.Through the software design and PCC hardware configuration，it achieves goal.This design makes the motor motion control system integrated into the PCC.So it facilitates design，achieves direct control and has broad application prospects.

PCC；motor motion control system；Automation Studio

TM359.4；TP273

A

2095－0926（2015）04－0029－03

2015-06-27

武榮榮（1989—），女，碩士研究生；盧勝利（1956—），男，教授，碩士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)樾盘枡z測與智能控制.