基于PLC的制造設備機電一體化控制系統設計

程雅琳，趙興方，邱 雙

（1.山東工程職業技術大學 智能制造學院，山東濟南 250200；2.深圳海關 工業品檢測技術中心，廣東深圳 518067；3.山東工程職業技術大學 智能制造學院，山東濟南 250200）

1 系統硬件設計

制造設備機電一體化系統的硬件控制結構框圖如圖1所示，主要由輸入電路、輸出電路、編程器、中央處理器（CPU）、系統程序存儲器、電源組成。

圖1 系統硬件控制結構框圖

輸入電路和輸出電路主要用來降低外部的干擾，使運算結果能夠準確輸出；編程器主要配合單片機使用，用來進行程序的編寫和修改；中央處理器是一個控制系統的核心，起到總控作用；系統程序存儲器主要作用是存儲系統的運行程序，并對程序起到一定的保護作用；一個系統有了電源就可以控制本系統的開始和結束，起到一個比較重要的起止作用。本系統主要利用以上硬件設備進行制造設備機電一體化控制系統的設計與分析研究。

1.1 過流保護電路

本系統在硬件設計的過程中，設計了硬件保護電路，通過對電路設計過流保護的方法，防止過流對電路造成損害，實現對機電一體化控制系統的安全運行。通過使用IPM 內部集成的保護電路的方法，使整個系統得到了3層保護，在很大程度上提高了系統的可靠性。圖2為整個保護系統的結構框圖。

圖2 硬件保護系統結構框圖

文章主要采用機電一體化控制系統的驅動芯片的內置比較器，進行過流保護電路的設計。選擇兩個帶寬為80000 Hz 的引腳串聯在電路中，選擇帶寬2000 Hz 的濾波器，對電源的干擾信號進行清除處理，然后完成制造設備機電一體化的過流保護電路的設計。內部集成的保護電路的相與相之間是各自獨立工作的，當其中一個相發生故障時，其余各相無法得到相應的保護。所以不僅設計了內部集成的保護模塊，還對外圍的保護電路進行了調整設計，提高了整個機電一體化控制系統的可靠性。

1.2 旋變解調芯片

解調芯片能夠輸出2000～20000 Hz 的信號，將旋變解調芯片輸出的這些信號作為激勵信號提供給旋轉變壓器，旋變解調芯片的激勵信號方便了電路在難易程度上的設計，讓外圍電路不需要繼續設計激勵電路，直接就可以進行電路工作。接口輸出的電壓為2.3～5 V，這個電壓值對于旋轉變壓器來說是較小的，所以要將這個電壓值進行放大設計，然后再提供給旋轉變壓器，用來作為可靠的激勵源電壓值。旋變解調芯片默認的激勵頻率為10000 Hz，可以確定什么樣的解算數據可以報告給輸出的引腳，還可以通過設置不同的引腳確定旋變解調芯片的工作模式。

1.3 機電一體化

文章硬件設計的電路主要是采用了典型的標準化電路和定時器，還有旋變解調芯片，它們一起組成了此次系統設計的制造設備的單片機系統。采用MSCH128芯片對操作面板進行設計，這一芯片可以用來完成系統功能的顯示和鍵盤的輸入。鍵盤可以對同時按下的按鍵進行自動識別保護，并給出識別編碼。由節能的LED 顯示屏進行顯示，它的相應功能模塊的工作是可程控的。圖3為機電一體化控制原理框圖。

圖3 機電一體化原理框圖

2 系統軟件設計

2.1 串口發送模塊設計

串口通過發送幀字節流數據，確定給定的位置指令，根據輸入指令對制造設備機電一體化進行輸入控制，其中發送的每一幀數據包含11個字節。

對發送模塊的寄存器進行初始化處理，設置為發送中斷的工作方式，繼續向下執行循環等待，等待2ms 后對數據進行封裝，將封裝完成的幀數據發送到移位寄存器中，全部發送完成后相應中斷進入到子程序中，最后完成幀數據的發送。

2.2 基于PLC的系統控制模塊設計

使用PCL 技術對制造設備機電一體化控制系統的數據進行處理，將存儲器中設置的參考值與輸入到系統中的數據轉換成當前值進行比較，PCL 技術對數據類型進行轉換的功能可以實現對眾多數據的處理，而且處理效率也很高。為了準確地實現給定的位置指令，對輸入數據進行位置閉環控制，其控制公式如式（1）所示。

式（1）中，ωg為制造設備的位置轉速閉環給定量；Kpp為制造設備的位置閉環控制系數；θg為CPU 發送的給定位置量；θf為制造設備的給定位置的反饋量；Kpi為積分系數；θe為制造設備的給定位置誤差量。

采用P 控制法對轉速環進行控制，轉速環控制公式如式（2）所示。

式（2）中，ig為給定的制造設備的電流環控制量；Kω為增益系數。

繼續采用P 控制法對電流環進行給定量控制，電流環控制公式如式（3）所示。

式（3）中，Vm為制造設備的電極電壓；Ki為比例系數；ig為給定的制造設備的轉速定量；if為給定的制造設備的電機電流量R為給定的制造設備的電樞電阻。

通過對CPU 給定量的位置環、速度環、電流環的控制，使機電一體化控制系統能夠對發出的指令進行快速響應，并且能夠實現數據輸出的誤差最小化。

2.3 系統定時器模塊設計

文章在軟件系統的設計中，使用時鐘頻率為90 MHz 的CPU 主頻時鐘，通過定時器確定系統的執行周期和所用時間，利用定時器模塊對制造設備機電一體化系統的執行時間進行有效控制。對定時模塊的寄存器進行初始化處理，工作方式設置為開中斷，繼續向下執行循環等待，等待50msCPU 響應中斷進入子程序，累加時間標志，清除中斷標志，完成定時過程，清除中斷標志是為了下一次事件能夠繼續正確執行。

2.4 串口接收模塊設計

串口接收幀字節流數據，接收給定的位置信息，根據輸出的位置信息對制造設備機電一體化進行輸出控制，其接收的每一幀數據包含8個字節，每個字節的具體數據信息如表1所示。

表1 串口接收通信協議

對接收模塊的寄存器進行初始化處理，設置為接收中斷的工作方式，繼續向下執行循環等待，接收的幀數據大于8字節CPU 響應中斷進入到子程序中，判斷幀頭是否正確，判斷校驗和是否正確，最后對接收的幀數據進行解析。

3 系統實驗調試

3.1 實驗裝置

文章進行實驗測試的硬件設備裝置為中央處理器（CPU）、編碼器、伺服電機、開關、直流電機、終端執行器、LED 顯示屏。其中，中央處理器作為整個系統運行的核心部件，編碼器與伺服電機直接相連，編碼器可以對信號進行輸出，還可以對伺服電機進行控制，開關主要控制電流的輸入與輸出，直流電機對電流的大小進行實時反應，終端執行器執行跟蹤命令，LED 顯示屏用來顯示最終的測試結果，方便之后系統的分析工作。實驗采用Matlab 編程解微分方程與直線輪廓進行跟蹤測試。

本次實驗用到的介質為清水，制造設備機電一體化控制系統的開關電壓設置為220V，電流設置為50A，終端執行器從直線輪廓的一端運行到另一端的運動速度為0.5 m/s，伺服電機的跟蹤狀態設定為低負載運行狀態。利用伺服電機對選取的直線輪廓進行跟蹤，一組采用PLC 進行實驗控制分析，另一組采用傳統的控制方法進行實驗控制分析。將采集到的數據輸入到系統中，串口發送模塊發送幀字節流數據，然后進入到控制模塊對伺服電機進行控制，計時器模塊的計時器起到定時作用，最后串口接收模塊接收幀字節流數據，數據通過整個系統的處理，最后輸出結果顯示在LED 顯示屏上面。本次測試的實驗環境較簡單，測試過程中不存在其他干擾信號，測試結果真實可信，具有參考價值。

3.2 測試結果

文章主要是對PLC 控制和傳統方法控制進行系統的測試比較，測試結果如表2所示。

表2 控制跟蹤性能平均差與標準差

從表2可以看出，對于兩組跟蹤控制數據的平均值與標準差，都是使用文章的方法比使用傳統的方法更小一些，而轉矩的平均值，文章的方法比傳統的方法高0.07，標準差高0.08，最終得到的輪廓誤差平均值與標準差，使用文章的方法都要更小一些，誤差越小說明控制精度越高，所以使用PLC 對制造設備機電一體化的伺服電機控制的精度比使用傳統方法的控制精度更高，高51%，使用PLC 對制造設備機電一體化的控制更接近于理想控制，控制精度更高。

4 結束語

文章分別對硬件設備和軟件程序進行了設計，最后對設計的系統進行實驗測試分析，使用PLC 對伺服電機進行控制，直流電機的速度變化更準確，所以使用文章的PLC 技術的方法對制造設備機電一體化的控制精度更高。文章的系統設計研究具有實際應用價值，但是實驗室的研究環境與制造設備實際工作環境還有一定的不同，實際工作環境可能會出現其他的干擾，可以在本系統設計的基礎上對機電一體化加以優化，為機電一體化提供更可靠的技術支持。