機電一體化精確定位裝置電控部分的選型與設計

摘要：機電一體化精確定位裝置的電控部分以可編程邏輯控制器作為控制核心，發(fā)送指令改變電機的轉動速度、轉動方向。為了實現(xiàn)快速、精確定位，一方面需要做好電控部分硬件設備的選型，包括可編程邏輯控制器、步進電機、伺服電機、觸摸屏與通信光纜等；另一方面還要科學分配可編程邏輯控制器的輸入/輸出口（Input/Output，I/O），以及設計電控程序等，進一步提高精確定位裝置的使用效果。

關鍵詞：機電一體化精確定位裝置步進電機通信線纜

中圖分類號：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

機電一體化實現(xiàn)了加工制造的自動化，精確定位裝置作為機電一體化產品的組成部分，采用閉環(huán)控制模式，首先通過人機交互界面編輯指令，經過PLC將指令轉化成對應的控制信號，然后驅動步進電機以特定的速度、方向轉動，并帶動絲杠轉動。位于前端的傳感器會實時監(jiān)測位置信號，并將信號重新反饋給PLC。PLC將設定位置與當前位置進行對比，根據兩者的差值重新生成調控指令，改變步進電機的轉速和方向。重復上述過程，直到實際位置與設定位置完全相同，實現(xiàn)了精確定位。在上述閉環(huán)控制過程中，電控部分可編程控制器、步進電機以及觸摸屏的選型與設計，是決定定位效果的關鍵因素。

1精確定位裝置電控部分硬件的選型

1.1可編程邏輯控制器的選型

可編程邏輯控制器是精確定位裝置電控部分的核心，綜合考慮性能、功耗以及穩(wěn)定性等因素，選擇了三菱FX3U-64MT/DS作為精確定位裝置的主控制器。該元件采用集成化設計，尺寸小巧（200mm×90mm×85mm）、穩(wěn)定性好。工作電壓為直流24V，內置64個I/O口，其中32個為輸入點，32個為輸出點，功能豐富。有6個頻率為10kHz上的高速計數器，3個128kB的高速通信編程口，具備較強的通信能力。為了滿足精確定位的需要，在FX3U-64MT/DS的基礎上加裝了1個用于定位的擴展單元，該單元采用FX2N-1PG脈沖發(fā)生器，可以向伺服步進馬達提供最大100KPPS的脈沖，利用4個I/O口與FX3U-64MT/DS可編程邏輯控制器實現(xiàn)數據傳輸。FX2N-1PG脈沖發(fā)生器有12個端子，包括用于執(zhí)行機器原位返回操作的端子，用于連接24V直流電源的端子，以及用于輸出前向脈沖的端子等。

1.2步進電機的選型

選擇步進電機時，除了要滿足結構簡單、易于控制、運行穩(wěn)定等基本要求外，還要從精確定位功能出發(fā)考慮以下兩點：一是步進電機的最大靜力矩必須滿足傳動系統(tǒng)在空載狀態(tài)下實現(xiàn)快速啟動的力矩要求；二是步進電機的啟動矩頻特性、工作矩頻特性，必須滿足傳動系統(tǒng)在正常工況下對于啟動力矩、啟動頻率的要求[1]。綜上，在精確定位裝置的電控部分中選擇了FL86STH118-6004A型兩相混合式步進電機，最大徑向負載215N，最大軸向負載80N；步距角2.2°，保持轉矩96kg·cm，定位轉矩3.6kg·cm，轉動慣量2580g·cm2。該步進電機選用冷軋高硅片作為主體材料，能夠有效減少磁損和降低溫升，在延長設備使用壽命的基礎上還能降低電機堵轉、異常振動等問題的發(fā)生率，對提高精確定位裝置的電控效果有積極幫助。

1.3觸摸屏的選型

觸摸屏為精確定位裝置電控部分提供了人機交互功能，既可以直觀、實時顯示位置信息，又能方便工作人員編輯和發(fā)送控制指令[2]。在選擇觸摸屏時，除了滿足界面簡潔、操控靈活、堅固耐用等基本要求外，還要考慮觸摸屏與可編程邏輯控制器之間的兼容性。基于上述要求，選擇了MT4414T彩色觸摸屏，分辨率800×480，CPU頻率750MHz，擁有較強的數據傳送和處理能力；亮度320cd/m2，觸控面板采用4線精密電阻網絡，內置512kB的配方存儲器；額定電壓為直流24V，額定功率3.6W，待機狀態(tài)下功率僅為0.5W，能耗極低。通過RS485通信接口將MT4414T觸摸屏與FX3U-64MT/DS可編程邏輯控制器連接，一方面可以將可編程邏輯控制器處理后的信息發(fā)送給觸摸屏并進行顯示，另一方面也能通過觸摸屏向可編程邏輯控制器發(fā)送指令。

1.4通信線纜的選型

在精確定位裝置的電控部分，需要在可編程邏輯控制器與步進電機、觸摸屏等設備之間實現(xiàn)通信，保證位置調控效率?？紤]到機電一體化產品的運行環(huán)境中存在干擾，為了提高抗干擾能力、保證通信質量，必須要科學選擇通信線纜。同時，由于精確定位裝置的主控制器已經確定選用FX3U-64MT/DS單片機，該元件采用RS485專用通信，因此選擇的通信線纜必須與RS485通信接口有良好的兼容性。綜上，在電控部分的設計中選擇了施耐德（Schneider）通信線纜，該線纜可自定義是否使用專用傳輸控制協(xié)議，如果將B15位設為“1”，表示使用傳輸控制協(xié)議；反之，將B15位設為“0”，表示不使用傳輸控制協(xié)議。為了保證信號波特率和通信格式的一致性，利用特殊數據寄存器對通信線纜中傳輸的數據進行通信格式（如奇偶性、頭字符、校驗碼等）處理[3]。

1.5光纖傳感器的選型

在機電一體化產品的使用過程中，要想實時獲取裝置的當前位置，需要利用傳感器獲取位置信息，并同步發(fā)送給可編程邏輯控制器。在傳感器的選型上，需要同時滿足位置檢測精確性、信號傳遞高效性等要求。基于此，在電控部分的設計中選擇了E3X-DA-S/E3X型光纖傳感器。其工作原理是利用待測量對光纖內傳輸的光波參量進行調制，并得到相應的調制信號。通過光纖將該調制信號發(fā)送到光探測器，完成解調處理，獲得待測量值。光纖傳感器的優(yōu)勢在于將待測信號轉換成光信號進行傳送、處理，保證了信號即便是在長距離傳輸過程中也不會發(fā)生明顯的損耗，從而提高了最終處理結果的精確性。

2精確定位裝置電控部分的設計

2.1輸入/輸出點的分配

電控部分的主控制器FX3U-64MT/DS通過RS485通信接口與驅動器連接，驅動器根據光纖傳感器采集到的數據判斷實時位置信息，并將位置信號通過RS485接口同步反饋給可編程邏輯控制器[4]。在接收信號后，可編程邏輯控制器會根據設定程序自動調整輸出脈沖的頻率與數量，并將脈沖信號發(fā)送給前端的執(zhí)行機構伺服電機，改變轉動速度和轉動方向，進而實現(xiàn)對移動距離的動態(tài)和精準調控。為了滿足上述電控要求，需要對FX3U-64MT/DS單片機的I/O口進行合理分配，分配結果見表1，X表示輸入口，Y表示輸出口。

2.2觸摸屏的組態(tài)設計

在觸摸屏的開發(fā)與設計中，使用了與MT4414T觸摸屏配套的組態(tài)軟件進行人機界面的開發(fā)。該軟件內置圖形管理庫，提供了海量的靜態(tài)和動態(tài)圖形，并且提供圖形處理工具，開發(fā)人員可根據需要使用這些工具對圖形管理庫中的任意圖形進行縮放、剪切等處理，以便于生成多種類型的應用畫面，保證了人機界面的友好性。觸摸屏上電后顯示初始畫面，提供“定位參數設定”“伺服參數設定”以及“定位顯示”“自動定位”“報警復位”和“程序初始化”等操作功能，按下對應的按鈕即可執(zhí)行相應的功能[5]。以“定位參數設定”為例，點擊該按鈕后，跳轉至對應的子頁面，可以手動設定定位目標距離（前向）、定位目標距離（后向）、設置運行速度、加減速時間等內容。

2.3電控程序設計

精確定位裝置電控流程為：由可編程邏輯控制器發(fā)送運行指令，電源通電，步進電機正常上電后開始啟動，并根據指令內容進行快速轉動。在步進電機轉動過程中，傳感器實時采集行程信息，并判斷當前行程是否達到設定行程的90%。如果判斷為“否”，則維持當前轉速繼續(xù)運行，直到判斷結果為“是”，然后可編程邏輯控制器發(fā)送指令，使步進電機的工況由“快轉”調整為“慢轉”，同時重新執(zhí)行一個判斷程序“當前行程是否達到設定行程的98%”。如果判斷為“否”，維持當前轉速繼續(xù)運行，指導判斷結果為“是”，然后可編程邏輯控制器發(fā)送指令，使伺服電機快轉，達到設定位置后伺服電機停轉，從而在電控模式下實現(xiàn)了精準定位。電控程序設計如圖1所示。

3結語

機電一體化產品在實際應用中必須要兼顧效率與精度，才能發(fā)揮機電一體化的應用優(yōu)勢。特別是在制造業(yè)向高端轉型的背景下，對精確定位提出了更加嚴格的要求。在設計精確定位裝置時，應當對電控部分硬件部分進行合理選型，同時對電控程序、人機交互等進行科學設計。遵循穩(wěn)定性、易用性、性價比等原則，挑選符合要求的可編程邏輯控制器、步進電機與觸摸屏、光纖傳感器，保證電控部分各組成元件之間的信息共享，提高了控制精度，保證精確定位裝置的應用效果，對促進機電一體化的發(fā)展也有積極幫助。

參考文獻

[1]吳麗萍.一種基于伺服電缸的定位裝配裝置系統(tǒng)設計[J].機電技術，2021（4）：41-42.

[2]單成偉，劉豐幀，呂小強，等.基于CSS精確定位技術的膠輪車運輸監(jiān)控系統(tǒng)[J].煤礦機電，2020（3）：134-135.

[3]王曉瑜.基于PLC與HMI的伺服電機運動控制系統(tǒng)設計與實現(xiàn)[J].自動化與儀表，2022（7）：37-39.

[4]楊斌斌，高潤玉，韓星星.基于組態(tài)王和觸摸屏的電機溫度監(jiān)測系統(tǒng)設計[J].電子測量技術，2020（18）：50-52.

[5]謝雪丹，徐善智.基于PLC的礦井提升機電控系統(tǒng)設計[J].電子技術，2023（5）：98-99.