01两维运动平台说明书控制部分.docx
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01两维运动平台说明书控制部分
第三章二维运动平台电气控制系统设计
根据总体方案及机械结构的控制要求,确定硬件电路的总体方案,绘制系统电气控制的结构框图。
PLC控制方案
3.1确定控制方案
二维运动平台电气控制系统有继电器控制、单片机控制和PLC(可编程控制器)控制三种方式。
继电器控制方式存在可靠性差、可塑性差、接线复杂、自动化程度低等一系列缺点。
单片机控制方式采用单片机作为控制单元,开发周期较长,抗干扰性差,可靠性低,灵活性差。
PLC由CPU、存储器、输入/输出接口、内部电源和编程设备几部分构成,结构紧凑,集成度较高,开发方便,工作稳定可靠。
因此,本设计方案选用小型PLC作为控制单元。
可编程控制器是以计算机技术为核心的通用工业自动控制装置,是一种数字运算操作的电子系统,专为在工业环境下应用而设计。
它采用可编程序的存储器,用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作的命令,并通过数字式模拟式的输入和输出,控制各种类型的机械或生产过程。
可编程序控制器及其有关设备,都应按易于与工业控制系统联成一个整体,易于扩充功能的原则而设计。
基于PLC的控制系统由小型可编程控制器、脉冲输出模块、交流伺服系统、键盘(多个开关组合而成)、显示器(LCD指示灯)等几部分组成。
系统的加工程序和控制命令通过键盘操作实现,LCD指示灯可以实时显示系统的工作状态。
设计内容包括PLC选用,交流伺服电机控制电路,键盘显示电路以及其他辅助电路的设计(例如越界报警电路,掉电保护电路等)。
本方案选用的PLC控制系统由1台日本三菱公司的FX系列小型可编程控制器FX2N-32MR,2台FX2N-10PG脉冲输出模块,2套三菱MR-J2S系列及交流伺服系统(各包含1台HC-KFS73(B)交流伺服电机),其核心是可编程控制器,其输入部分主要接受行程开关、急停开关和手动开关等的动作信号,输出部分主要用于控制伺服驱动电机。
3.2PLC控制系统硬件介绍
3.2.1电气控制系统框图
控制系统是由硬件和软件两部分组成,硬件是组成系统的基础,有了硬件软件才能有效地运行。
本方案可采用的半闭环模式拥有较高的系统分辨率,可以实现较高的定位精度。
控制系统硬件框图如图3-1所示。
图3-1半闭环控制系统硬件框图
3.2.2选择PLC的类型
目前在经济型控制系统中,推荐采用小型可编程控制器。
综合考虑接通和断开的频率、带负载能力和输入输出总点数等因素,选用日本三菱公司的FX系列小型可编程控制器FX2N-32MR。
一般PLC的硬件结构如下图3-2所示。
图3-2PLC硬件结构图
3.2.3脉冲输出模块的选择
要驱动交流伺服电机并对其进行控制,需要配置一个专门的模块。
在选择驱动模块时,要考虑其的最大输出脉冲频率、带负载能力和与交流伺服电机的匹配等。
选择完脉冲输出模块后,按照说明书与相应的交流伺服系统连接。
3.3PLC及模块简介
3.3.1日本三菱公司的FX系列小型可编程控制器
表3-1日本三菱公司FX系列小型可编程控制器
项目
规格概况
电源规格
AC电源型:
AC100v-240v
DC电源型:
DC24v
输入规格
DC输入型:
DC24V7mA/5mA
(无电压接点,或者NPN集电极开路型晶体管输入)
AC输入型:
AC100V-240V
输出规格
继电器输出型:
2A/1点,8A/4点公共端AC250V,DC30VMax
晶体管输出型:
0.5A/1点,(Y000,Y001为0.3A/1点)。
0.8A/4点公共端DC5V/DC30V
可控硅输出型:
0.3A/1点,0.8A/4点公共端AC85-242V
输入输出扩展
可以连接FXUN、FX2N系列用的扩展模块以及FX2N系列用的扩展单元
程序内存
内置8000步RAM(备用电池)、注释输入、可以在RUN时写入
安装存储盒是,最大可以扩展到16000步
时钟功能
内置实时时钟(有时间设定指令,时间比较指令)
指令
基本指令27个,步进梯形图指令2个,应用指令132个
高速处理
有输入输出刷新指令,输入滤波器调整指令,输入中断功能,定时器中断功能,计数器中断功能,脉冲捕捉功能
最大输入输出计数
256点
辅助继电器/定时器
辅助继电器:
3072点
定时器:
256点
计数器
一般用16位增计数器:
200点一般用16位增减计数器:
35点
高速用32位增减计数器:
(1相)60KHz/2点,10KHz/4点
(2相)30KHz/1点,5KHz/1点
数据寄存器
一般用8000点,变址用16点,文件用最大可以在程序区域中设定位7000点
3.3.2FX2N-32MR概述
FX2N-32MR为基本单元,共用32点,使用AC200-240V电源,其中DC输入16点,以继电器形式输出16点,横式端子排,标准输出。
其外形尺寸宽×厚×高=150×87×90mm,外形如图3-3所示。
图3-3FX2N-32MR-D外形图
3.3.3FX2N-10PG脉冲输出模块
FX2N-10PG脉冲输出模块是最大1MHz脉冲列并且驱动单轴的步进电机和伺服电机的特殊模块。
每个FX2N-10PG单元对一台单轴步进电机或是伺服电机进行位置控制。
通过使用FROM/TO指令对所连接FX2N的或是FX2NC系列PLC进行数据读写。
最大可以输出1MHz的脉冲列(差分线驱动器输出)。
FX2N-10PG脉冲输出模块使用电缆与PLC相连,连接如图3-4所示。
图3-4FX2N-10PG脉冲输出模块与PLC相连图
3.3.4三菱通用交流伺服MELSERVO-J2-Super系列
三菱通用交流伺服MELSERVO-J2-Super系列是在MELSERVO-J2系列的基础上开发的具有更高性能、更多功能的伺服系统。
控制模式有位置控制、速度控制和转矩控制三种模式,还有位置/速度控制、速度/转矩控制、转矩/位置控制这些切换方式可供选择。
此类伺服放大器应用领域广泛,不但可用于工作机械和一般工业机械等需要高精度位置控制和平稳速度控制的应用场合,也可用于速度控制和张力控制的领域。
此外,此类产品还有RS-232C和R-422串行通讯功能。
通过安装有伺服设置软件和个人计算机,就能进行参数设定、试运行、状态显示和增益调整等操作。
MELSERVO-J2-Super系列的伺服电机编码器采用了分辨率为131072脉冲/转的绝对位置编码器,具有很高的精度控制能力。
只要在伺服放大器上另加电池,就能构成绝对位置系统,这样在原点经过设置后,当电源重新投入使用时或发生报警后,不需要再次原点复归也能继续工作。
MR-JS2-A系列伺服放大器的符号说明如表3-2所示。
表3-2MR-JS2-A系列伺服放大器符号
3.4PLC控制系统硬件电路设计
3.4.1设计目标
完成通用运动两维平台的可编程控制,并实现半闭环检测。
整个设计可分为以下几个部分:
1)PLC及其扩展模块的供电;
2)采用FX2N-32MR和FX2N-10PG完成检测,自动插补等动作;
3)利用伺服系统对曲线插补实现半闭环控制;
4)设置控制面板和工作指示灯,实现人机交互。
3.4.2供电线路
本设计共引入三相电,其中两相经AC/DC转换器,可转换为AV24V电源。
FX2N-32MR使用AC200-240V电源,FX2N-10PG使用经转化后的DC24V电源。
MR-J2S-70A伺服放大器可以使用三相AC380V,50/60Hz和单相AC200-230V,50/60Hz电源,在本电路中,选择使用单相AC200-230V,50Hz电源,有一相接地。
交流伺服电机及其编码器有MR-J2S-70A伺服放大器直接驱动。
对于整个系统闭合开关QF1,系统应通电,若EL1(绿色)亮,表示系统已确实上电。
一般在PLC系统电路中,向扩展设备供应电源,如图3-5所示。
图3-5PLC系统电路中向扩展设备供应电源
3.4.3可编程逻辑控制器FX2N-32MR的连接设计
1)电源
由L、N接AC200-230V给电,并设接地。
接交流电时,在高电势接入线上加装熔断器,以保护PLC;另外配备手动开关QF3。
2)各种输入信号与相应的指示
X000-X003接手动常开触点,当SB-5,SB-8,SB-9,SB-10闭合,SB-1—SB-4任意一触点闭合,则相应的X000-X003有输入,使Y000-Y003中相应的端口有输出,于是与之对应的发光二极管亮。
与此同时,KA2、KA3和KA4动作,使对应的X轴或Y轴伺服电机正向/反向点动。
无论何时SP-1—SP-4接合,对应的X004-X007有信号输入,对应的Y004-Y007有输出,对应的发光二极管亮起,表示某轴某方向已经越位。
与此同时,Y016和Y017停止输出。
驱动器断电,伺服停止;然后可以用点动功能调整越位。
SB-6接合时,PLC处于自动状态,按下伺服开启,驱动器上电后它将按照已设定的数值,配合脉冲输出模块驱动伺服系统完成X-Y两坐标联动。
急停:
SB-7为紧急事故手动急停开关。
当SB-7接合时,X012信号输入,Y013输出,红灯亮,Y014输出是KA1动作,启动MR-J2S-70A上的EMG端口,形成紧急停止。
其它说明:
SB-10接合是KA4动作时,电磁继电器KM1,吸合常开触点KM1给伺服放大器MR-J2S-70A加电。
SB-9接合时KA3动作时,给脉冲输出模块FX2N-10PG的START端口输入信号使脉冲输入开始。
3.4.4脉冲输出模块FX2N-10PG的接线
一个脉冲输出模块FX2N-10PG只能驱动一台单轴伺服电机,本设计要实现X-Y两坐标联动,故选用两台FX2N-10PG分别驱动两台伺服电机。
(1)给电
通过VIN+和VIN-接DC24V电源的正负极。
(2)输入信号
START为开始输入端子,接KA3,用于接收FX2N-32MR发出的脉冲开始输入信号。
DOG即近点DOG输入端子,用于返回原点指令的输入端子,外接一个手动触点,即成为一个复位开关。
(3)输出信号
PF+在本设计中为正向/反向模式,为正向脉冲输出端子;RP+在本设计中为正向/反向模式,为反向脉冲输出端子。
PF-和RP-分别为PF+和RP+的公共端子。
以上4个端子与MR-J2S-70A上的正向/反向脉冲串相连。
从而使X-Y两坐标方向上的伺服电机可只有正反转,使平台能够实现4个象限的运动。
(4)FX2N-10PG与MR-J2S伺服系统连接
图3-6FX2N-10PG与MR-J2S伺服系统连接图
3.4.5MELSERVO-J2-Super伺服系统的连接
1)器件选择
首先,根据机械部分要求,选择相应的伺服电机。
本设计中选用了三菱公司的HC-KFS73(B)伺服电机,其规定功率是750W,额定转矩是2.4N·m,最大转矩是7.2N·m,额定转速是3000r/min,最大转速是4500r/m,转动惯量是1.51J×10-4kg·m2
然后,根据所选电机选择与之匹配的伺服放大器。
依据表3-3选择MR-J2S-70A。
表3-3MELSERVO-J2-Super系列所列匹配关系
(2)伺服系统供电
通过KM1控制采用AC200-230V电源。
交流伺服电机和编码器由MR-J2S-70A直接驱动。
(3)连接说明
CN1A接头:
有SD(屏蔽端),LZ、LZR(编码器Z相脉冲)端子。
其中LZ、LZR与FX2N-10PG的PG0+(零点信号输入端子)、PG0-(PG0+的公共端子)相连。
PP、PG、NP、NG共同组成正向/反向脉冲串,接收FX2N-10PG所发生的脉冲。
另外还有清除端口CR和控制公共端LG。
CN1B接头:
有内部电源输出VDD与CN1A中的COM相连(数字接口电源),ZSP、TLC和ALM端口能实现零速、转矩限制和故障等辅助功能。
EMG、SO、LSP、LSN和SG作为信号输入端口,可分别响应紧急停止、伺服开始、正传行程末端和反转行程末端。
P5、LG、MR和BAT等端口通过编码器电缆与编码器连接,形成反馈回路,使系统成为半闭环控制系统。
(5)电子齿轮设定
电子齿轮的设定范围是1/50 电子齿轮设定错误可能导致错误运行,必须在伺服放大器停止输出的状态下进行设定。 对于输入脉冲,可以乘上任意的倍率使机械运行。 电子齿轮的原理如图3-7所示。 图3-7电子齿轮的原理 对于本设计,减速比为1,丝杠导程为0.005m,MELSERVO-J2-Super系列的伺服电机编码器采用了分辨率为131072脉冲/转的绝对位置编码器。 那么运动平台是可以达到0.005mm/step的系统分辨率,和±0.01mm的定位精度的。 3.5控制系统控工作原理简述 3.5.1控制系统的功能 ⏹X向,Y向的进给伺服系统 ⏹键盘显示 ⏹面板管理 ⏹行程控制 ⏹其他功能,例如光电隔离电路、功率放大器、红绿灯显示等。 其他控制见附录控制面板图。 3.5.2控制系统的工作原理 图3.21数控铣床的控制面板 为了便于说明,以图3.21所示的控制面板为例,简述其工作原理。 控制面板分为显示器、信号灯、键盘、按钮和旋钮。 ⏹显示器: 用来显示工作过程中一些相关的数据 ⏹信号灯: 在显示器下面的红灯为越界信号灯,显示器右面与其对应的绿灯为正常工作的信号灯。 当正常工作时绿灯亮。 当在X,Y方向越界时红灯亮、绿灯灭。 键盘右面的灯为电源指示灯,指示灯下放为一“急停”按钮,当需要立即停止时按此按钮。 ⏹键盘: 简单的输入设备,可以进行编辑和控制系统的工作。 ⏹按钮: 旋钮右面四个按钮+X,-X,+Y,-Y是与手动挡配合使用的,旋钮下方的“X原点”、“Y原点”按钮是使车床刀具回原点的按钮。 包括越界回原点、手动回原点。 旋钮右下方的按钮为“启动”和“回零”按钮,此回零为所有回零,任意方向,任何时刻的回零,与上面提到的回零不同,上面提到的“X原点”、“Y原点”只是X,Y方向上的回零。 ⏹旋钮: 此旋钮为适应不同工作条件而设,分为编辑、单步、自动、手动I、手动II、单段等档位。 单片机控制方案 3.1确定控制方案 二维运动平台电气控制系统有继电器控制、单片机控制和PLC(可编程控制器)控制三种方式,本设计方案选用单片机作为控制单元。 二维运动平台控制系统由微机部分、存储器扩展电路、I/O接口电路、光电隔离电路、伺服电机驱动电路、检测电路、键盘、显示器等几部分组成。 系统的加工程序和控制命令通过键盘操作实现,显示器采用LED显示器。 微机是控制系统的核心,其他装置都是在微机的指挥进行工作的。 系统的功能和系统中所用的单片机直接相关。 控制系统对微机的要求是多方面的,但主要指标是字长和速度。 字长不仅影响系统的最大加工尺寸,而且影响加工的精度和运算精度。 字长较长的计算机,价格显著上升,而字长较短的计算机,要进行双字长和三字长的运算,就会影响速度,根据二维运动平台要求,综合考虑采用8位微机。 由于MCS-51系列单片机具有集成度高,可靠性好,功能强,速度快,抗干扰能力强,具有很高的性价比特点,本方案采用MCS-51系列的8031单片机扩展系统。 3.2MCS—51系列单片机简介 3.1.1MCS—51系列指令系统简介 MCS—51系列指令系统共有111条基本指令,其中单字节指令有49条,双字节指令有45条,单字节指令有17条。 1)MCS—51系列指令系统的七种寻址方式 ◆立即寻址: 跟在操作码后的一个字节就是实际操作数。 ◆直接寻址: 指令中直接给出参加运算或传送的数的地址。 可以访问三种地址: 特殊功能寄存器SFR、内部RAM128字节个单元、221个地址空间。 ◆寄存器寻址: 指定某一可寻址的寄存器的内容为操作数。 寻址空间是R0~R7、A、B、DPTR。 ◆寄存器间接寻址: 由指令指定某一寄存器的内容作为操作数地址,选定R0、R1、SP、DPTR(16位)来存放地址,使用时前加@。 ◆变址寻址: 由争论指定的偏移量寄存器或称变址寄存器和基址寄存器DPTR或PC相加所得结果作为操作数地址。 ◆相对寻址: 在指令中给定的地址偏移量与本指令所在单元地址(即PC内容)相加,即得到真正有效的单元地址。 ◆位寻址: 对内部RAM的128位和SFR块内的93位进行位操作。 2)MCS—51系列指令系统主要指令简介: MCS—51系列指令系统111条指令可分为五类: ⏹数据传送类29条 ⏹算术操作类24条 ⏹逻辑操作类24条 ⏹控制程序转移类17条 ⏹布尔变量操作类17条 3.2.2定时器/计数器 MCS—51系列单片机提供两个十六位可编程的定时器/计数器,即T0和T1。 他们具有两种工作方式和四种模式。 其工作原理如图3.2所示。 图3.2定时器/计数器的结构框图 定时器/计数器的核心是加一计数器,加一计数器脉冲有两个来源,一个是外部脉冲源,另一个是系统的时钟振荡器。 有两个模拟开关,前一个开关就是特殊寄存器TMOD的相应位,后一个模拟开关就是特殊寄存器TCON的相应位。 TMOD和TCON是专门用于定时器/计数器的控制寄存器。 用户可以用指令对其各位进行写入或更改操作,从而选择不同的工作状态或启动时间,并可设置相应的控制条件。 这两个控制寄存器各位的功能: 1)TMOD控制寄存器 GATE——门控位或叫选通位。 C/T——计数器方式或定时器方式的选择位。 M1和M0——工作模式控制位。 00模式0: TLX中的低5位和THX的高8位构成13位计数器。 01模式1: TLX与THX构成16位计数器。 10模式2: 可自动再装入的8位计数器。 11模式3: 把定时器0分成两个8位计数器,关闭定时器1。 2)TCON控制寄存器 TF0、TF1——定时器T0、T1溢出标志位,为1时申请中断。 TR0、TR1——定时器T0、T1运行控制位,有软件设定,来控制定时器/计数器开启或关闭。 IE0、IE1——外部中断源的标志,为1时表示外部中断源向CPU申请中断。 IT0、IT1——外部中断源触发控制位。 3.2.3中断系统 MCS—51系列单片机提供五个中断源,配备两个中断优先级,INT0、INT1输入外部中断请求,两个片内定时器/计数器T0和T1溢出中断请求TF0和TF1,一个片内串行口中断请求TI和RI。 各中断源所对应的中断服务程序的入口地址和优先级如下: 中断源人口地址优先级 INT00003H0 T0000BH1 INT10013H2 T1001BH3 串行口中断0023H4 3.3单片机控制系统硬件电路设计内容 3.3.1绘制电气控制系统框图 控制系统由硬件和软件两部分组成,硬件是组成系统的基础,有了硬件软件才能有效的运行。 控制系统硬件框图如图3-3所示,由以下几部分组成: ⏹主控制器,即CPU ⏹总线,包括数据,地址,控制总线 ⏹存储器ROM,RAM ⏹接口,即I/O接口电路 ⏹外设,如键盘,显示器及光电输入机等。 图3-3半闭环系统控制系统硬件框图 3.3.2选择CPU的类型 考虑到系统应用场合、控制对象对各种参数的要求及性价比等要求。 目前在经济型数控机床中,采用MCS-51系列单片机作为主控制器 3.3.3存储器扩展电路的设计 存储器扩展电路应该包括程序存储器和数据存储器的扩展。 在选择程序存储器芯片时,要考虑CPU与EPROM时序的匹配,还应考虑最大读出速度、工作温度及存储器的容量问题。 存储器扩展电路设计还应包括地址锁存器和译码电路的设计。 3.3.4I/O接口电路设计 此次设计内容包括接口芯片的选用,步进电机控制电路,键盘显示电路以及其他辅助电路的设计(例如复位电路,越界报警电路,掉电保护电路等)。 3.4存储器扩展电路设计 MCS-51系列单片机的特点之一是硬件设计简单,系统结构紧凑,对简单的应用场合MCS-51系列的最小系统,使用一片8031外扩一片EPROM就能满足功能的要求。 对于复杂的应用场合,可利用MCS-51的扩展功能,构成功能强,规模大的系统。 3.4.1程序存储器ROM的扩展 MCS-51的程序存储器的寻址空间为64KB。 8031不带ROM,用作程序存储器的器件是EPROM。 常用的半导体ROM芯片有: 2716(2K*8)、2732A(4K*8)、2764(8K*8)、27128(16K*8)、27256(32K*8)、27512(64K*8)。 2764、27128、27256、27512芯片均有28脚双列直插式平封装芯片,引脚向下兼容。 图3-4所示是2764引脚排列。 图3-42764引脚排列 地址锁存器常用的地址锁存器芯片是74LS373。 74LS373是带三态缓冲输出的8D触发器,其真值表见表3.1。 表3.174LS373真值表 E G D Q L H H H L H L L L L X Q0 1)16位地址总线的扩展 由于P0口分时传送低字节地址和数据,所以接入74LS373锁存器,8031的ALE接373的LE,373的OE接地,使373常输出。 74LS373的输出口Q与P2口一起扩展出16位地址总线AB,其高三位A13、A14、A15分别与138的A、B、C引脚相连。 2)地址线的连接 根据设计要求,需要扩展两片2764,两片2764的地址线分别与地址总线AB相连。 3)数据线的连接 两片存储器的8位数据线分别与数据总线DB按位依次相连。 4)控制线的连接 8031PSEN与EPROM的OE相连;8031的EA接地;2764 (1)的OE与138Y0相连,2764 (2)的OE与138Y1相连。 3.4.2数据存储器RAM的扩展 常用的静态数据存储器RAM芯片有6116(2K*8)、6264(8K*8)、62256(32K*8)等,6264、62256均采用CMOS工艺、28脚双列直插式平封装。 6264引脚及逻辑符号如图3-5所示。 图3-56264引脚图 由于8031芯片内部RAM只有128字节,远不能满足系统的需要,需扩展片外的数据存储器RAM,选择6264芯片即可满足设计要求。 6264的连接和2764大致相同,只是控制信号线的连接不同;6264的OE、WE与8031的RD、WR相连,CE与138的Y1相连,CE2高电平有效。 3.4.3译码电路的设计 8031单片机允许扩展64KROM和64KRAM(包括I/O接口芯片) 1)MCS-51单片机应用系统中的地址译码规则 ⏹ROM与RAM(程序存储器和数据存储器)独立编址: ROM地址和RAM地址可以重叠使用,都从0000H~FFFFH,地址的重复靠片选信号和控制信号区分。 ⏹外围I/O与扩展数据存储器RAM、ROM统一编址: 外围I/O芯片不仅占用数据存储器RAM的地址单元,而且使用数据存储器RAM的控制信号与读/写指令,本次课程设计采用统一编址。 ⏹CPU在访问外部存储器时地址编码: CPU的P2口提供高8位地址,P0口经外部地址锁存器后提供低8位地址。 2)地址译码方法 常用地址的译码方法有线选法和全地址译码。 ⏹线选法: 利用单片机地址总线高位中的一根线作为选择某一片存储器芯片的片选信号。 此法用于规模较小的系统。 其优点是不需要地址译码器,可节省硬件,降低成本。 缺点是可寻址的芯片数目受到很大的限制,且地址空间不连续,不能充分利用。 ⏹全地址译码法: 对容量较大的系统,扩展的外围芯片较多,芯片所需的片选信号多于可利用的地址线时,就需要用这种全地址译码法。 对于容量较大的的系统,扩展的外围芯片较多,芯片所
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