基于QD75P4定位模塊三軸運動控制的設計與實現

（華南理工大學廣州學院 電子信息工程學院，廣州 510800）

0 引言

運動控制是指對機械運動部件的位置、速度等進行實時的控制，使其按照預期的運動軌跡和規定的運動參數進行運動。目前，運動控制器在工業上的應用越來越多，主要涉及到的應用領域有產品的加工、裝配、以及后期組裝等。

QD75P4定位模塊是三菱公司4軸開路集電極系統脈沖輸出定位控制器，具有定位范圍廣，定位精度高（微米級）、速度快（200kHz）、啟動時間短（0.2毫秒）等特點，可實現位置、速度控制與PLC、驅動裝置組合實現復雜的邏輯控制和運動控制要求。

1 系統控制要求

系統將由前工序運送來的物品從某固定初始位移動到指定位進行碼垛擺放整齊，系統結構圖和物品碼放示意圖如圖1所示。

系統由三個互相垂直的絲杠組成，采用三臺伺服電機負責帶動三個方向的絲杠進行運動。分別實現X、Y、Z三個方向上的運動，其中X、Y兩軸負責平面運動，Z軸負責上下運動。

系統控制要求：1）系統精度達到毫米級；2）系統具有良好的操作性；3）系統可實現任意的直線插補；4）系統具有快速響應性。

2 PLC控制系統設計

1）硬件設計

圖1 系統結構圖和物品碼放示意圖

圖2 控制系統硬件的結構圖

圖3 PLC控制系統硬件設計接線圖

以Q03UDE CPU PLC為主控制器，對整個系統的邏輯和定位運動進行控制和管理；智能定位模塊QD75P4執行對定位參數進行設置，輸出指令脈沖發送給三個伺服放大器，軸2、3、4分別控制X、Z、Y方向運動；伺服放大器MR-J3-10A負責驅動伺服電機HF-KP13，以完成三個方向上的運動，電機編碼器的分辨率為262144脈沖/轉的絕對位置編碼器。控制系統硬件結構圖如圖2所示。

PLC控制系統硬件設計接線圖如圖3所示。

2） 軟件設計

包括兩部分：PLC程序設計和定位模塊QD75P4參數設置，其中PLC程序完成系統的邏輯和定位運動進行控制。物品碼放流程圖如圖4所示。

QD75P4參數設置的方法有兩種（監視數據用戶不能修改）：1）PLC順控程序設置；2）專用軟件（GX Configurator-QP、GX Works2軟件等）設置。若采用PLC順控程序設置參數將會使程序變得復雜，增加掃描時間。

本系統采用GX WORKS2 軟件，其優點：既可以進行PLC程序編程，又帶QD75P4定位參數設置功能。

3 三軸運動控制QD75P4參數設置

圖4 物品碼放流程圖

QD75的常用參數包括基本參數、詳細參數、回零(OPR)參數以及定位數據和塊啟動數據。現將三軸運動控制重要參數和數據加以說明，其中軸2和軸4兩臺電機負責X、Y兩個方向上的動作，軸3負責Z方向的動作。

3.1 主要參數

Pr.1單位設置：3（單位：脈沖數）；

Pr.2電機每轉脈沖數（Ap）： 4000（單位：脈沖數）；

Pr.3電機每轉移動量（Al）： 4000（單位：脈沖數）；

Pr.43 OPR 方法：0（近點狗方法）；

Pr.44 OPR 方向：0（正方向）；

Pr.46 OPR 速度起動：1（單位：pulse/s）；

說明：對于Pr.2和Pr.3參數的設定，要結合驅動器MR-J3-10A的參數和HF-KP13電機參數而定。設伺服放大器電子齒輪比CMX/CDV=8192/125（計算方法見后），則對于QD75P4，對應的電機每轉脈沖數Ap為：

在GX WORKS2軟件中設置QD75P4模塊基本參數、詳細參數和原點回歸參數如圖5所示。

圖5 QD75P4模塊基本參數、詳細參數和原點回歸參數

3.2 定位數據和塊起動數據

用于設置“主要的定位控制”用的數據，建立獨立動作過程。各個軸可以設置1～600個定位數據項目，定位數據項目包括：運行模式、控制方式、插補對象軸、加速時間、減速時間、定位地址、圓弧地址、指令速度、停留時間、M代碼。三軸定位數據如圖6～圖8所示。

圖6 X軸的定位數據

圖7 Y軸定位數據

控制方式為ABS直線（3-軸線性插補控制），只需設置X軸即軸2的塊起動數據。具體參數設置如圖9所示。

4 伺服放大器重要參數設置

已知HF-KP13伺服電機轉速為N0=3000轉/分鐘，編碼器分辨率為Pt=262144pulse/每轉；f為伺服放大器的輸入脈沖頻率（pulse/s），QD75P4為集電極開路方式，最大輸出脈沖為200kpulse/s，即f=200kpulse/s。

為使在QD75的最大輸出脈沖指令下使伺服電機轉動，使用伺服放大器的電子齒輪，設定電子齒輪如下：

圖8 Z軸定位數據

圖9 X軸的塊起動數據

伺服放大器重要參數設置：PA01: 0，位置控制模式、PA06:32767，電子齒輪分子、PA07:500，電子齒輪分母。

5 X軸定位控制PLC程序

X軸高級定位起動數據控制程序如圖11所示。

圖10 電子齒輪比示意圖

圖11 X軸定位控制PLC程序

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6 結論

三菱QD75定位模塊可以準確定位和運行，但其參數和程序較復雜，三菱交流伺服驅動的性能非常優良，功能強大，使用靈活，通過QD75定位模塊可以實現多軸復雜控制和運動控制要求，控制準確，運行可靠程度高。

[1]范其明.基于QD75MH4的三軸運動控制系統設計[J].科技創新 2013.

[2]趙乃輝,趙子龍.基于QD75D4 定位模塊點膠圖形的開發[J].電子工業專用設備,2011.

[3]曾志清,毛虹,韓永剛.QD75定位模塊在成型機上的應用[J].輪胎工業,2004.