一种实现双轴同步控制的方法
【专利摘要】本发明涉及一种利用PLC实现主轴与从轴同步控制的方法。本发明要解决的技术问题是在低成本的前提下实现双轴同步控制。为了解决上述技术问题，本发明的技术方案是提供了一种实现双轴同步控制的方法。本来在其他公司高功能中大型PLC里需要多步完成的复杂功能，在本发明实施的小型PLC里用一条指令即可实现。如果使用多条指令完成，采样周期往往依赖于PLC的扫描周期，当PLC程序庞大的时候，扫描周期非常长，造成从轴响应滞后，输出脉冲间隙大，电机运行不平稳，定位精度差。本发明的同步指令使用方便，同步性能好。同时大大提高了PLC的执行效率，缩短了整个PLC的扫描周期。使得工业运动控制响应更快，位置控制更加精确。
【专利说明】—种实现双轴同步控制的方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种利用PLC实现主轴与从轴同步控制的方法。
【背景技术】
[0002]PLC (可编程控制器)由于在恶劣的环境中工作可靠性高，实时性好，功能强大，使用方便，所以被广泛应用于实际工程中。高速脉冲输出功能和高速计数器功能是PLC在位置控制和运动控制领域中的重要组成部分。通过高速脉冲输出来驱动电机，利用脉冲编码器可以采样电机的转速和转动方向，转化为脉冲形式，然后通过高速计数器对其高频率的脉冲进行精确的计数，从而实现PLC对电机的控制。具备这两种功能的PLC可以应用在位置控制和运动控制如纺织机械、小型包装机械等各个工业领域。
[0003]在上述位置控制和运动控制的闭环控制中，特别是用于两个独立电机间的同步控制，需要PLC多条指令的配合。通过PLC的高速计数器采集装在电机上旋转编码器的数据，得到电机的速度信息。然后在PLC程序中加入计算过程，再通过PLC的高速脉冲输出将计算结果通过脉冲形式输出到驱动电机。这样的做法PLC程序量比较大，更重要的是，PLC采用顺序扫描的方式执行指令，采用多条分离指令的方式会大大增加PLC扫描周期的时间，使得运动控制的输出滞后于输入的变化，同步性不好。实际控制效果不理想，例如会使生产线传送带堆料或者产生牵拉传送带现象。
[0004]另外目前多数PLC的高速计数器功能和高速脉冲输出功能集成在主CPU中，占用主CPU的资源，影响整个PLC的扫描周期，使得输出滞后于输入现象更加明显，这大大缩小了此种PLC的使用范围。并且即便是一些进口的PLC在多个端口同时工作时，标称的最高频率就大打折扣，往往几路同时使用，实际频率只能达到最高频率的几分之一，这在他们的说明书和技术参数上都有说明。
[0005]为了达到两个或多个独立电机间同步控制的目的，在需要高精度同步控制的场合，就不得不选用价格昂贵的专用同步控制器，或者需要PLC编写复杂的同步算法应用程序，并且带有独立的运动控制模块、高速计数器模块。这大大的增加了整个系统的成本，对资源造成了很大的浪费。如发明专利:一种伺服调速PLC控制的定尺飞锯机控制系统(201010567491.X)，为了完成从轴同步主轴的功能，采用了西门子的中型PLC主机CPU315-2DP和一个高速计数扩展模块FM350-2以及带profibus通信功能的伺服驱动器，这一套系统的价格非常昂贵。
【发明内容】
[0006]本发明要解决的技术问题是在低成本的前提下实现双轴同步控制。
[0007]为了解决上述技术问题，本发明的技术方案是提供了一种实现双轴同步控制的方法,该双轴包括一个主轴及N个从轴，N ^ 1，由主轴驱动输送机构动作，输送机构上承载有物料，输送机构在主轴驱动下将物料向从轴所在位置输送，每个从轴则控制一个动作部，主轴每将物料输送一段主轴长度MLEM后，动作部在相应从轴控制下对输送至的物料与输送机构同步地完成一个设定动作，其特征在于，主轴与第i个从轴的同步控制方法包括以下步骤，i = I,..., N:
[0008]第一步、在PLC内设计主控单元及同步控制单元，主控单元连接人机交互单元；同步控制单元至少包括高速计数器模块、同步算法处理模块及高速脉冲输出模块，由高速计数器模块对与主轴及从轴相连的编码器的脉冲信号进行精确计数，由高速脉冲输出模块向主轴及从轴输出控制其动作的脉冲信号；
[0009]第二步、用户通过人机交互单元向主控单元至少输入主轴长度MLEM、从轴长度SLEN、同步起始位置SYNSTR、同步区长度SYNLEN、从轴加减速时间SHME、主轴运行频率MFRQ及从轴与主轴的同步倍率RAT1，主控单元完成对指令的解析后将上述参数输出给同步算法处理模块，其中，从轴长度SLEN为从轴的周长，同步起始位置SYNSTR为动作部开始与主轴线速度达到一致的位置，同步区长度SYNLEN为动作部与主轴线速度保持一致运行的距离；
[0010]第三步、从轴在同步控制单元的控制下运行至预先设定的机械原点后，再运行至内部计算所得的虚拟原点，然后从轴停止动作。虚拟原点的位置在同步起始位置SYNSTR之前，距离为从轴在加速时间SHME内以加速度Al运动至同步起始位置SYNSTR的距离。同步算法处理模块等待由主控单元或高速计数器模块给出的起始信号，接收到该起始信号后，同步算法处理模块计算从轴自机械原点加速至同步起始位置SYNSTR的加速度Al =(主轴速度*RAT10)/SHME，高速脉冲输出模块根据加速度Al控制从轴在从轴加减速时间SHME内以加速度Al加速运动至同步起始位置SYNSTR ；
[0011]第四步、从轴从同步起始位置SYNSTR开始在同步区长度SYNLEN内以主轴速度*RAT10为速度跟随主轴，动作部对物料完成设定动作后，从轴与主轴完成同步，从轴从当前速度加速或减速到回归速度V后运行至虚拟原点后返回第三步的等待起始信号，主轴则一直根据主轴运行频率MFRQ保持匀速运动，其中，回归速度V =回归距离/T，回归距离=SLEN-虚拟原点至同步起始位置SYNSTR的距离-SYNLEN，T为自主轴离开同步区始至触发下一个起始信号所需要的时间，T =剩余长度/主轴速度，剩余长度=MLEM-主轴速度*STIME-SYNLEN0
[0012]优选地，在所述主轴由静止加速至由所述主轴运行频率MFRQ确定的主轴速度的加速过程中，所述主轴与所述第i个从轴的同步过程为:
[0013]步骤1、令所述输送机构上每隔一个主轴长度MLEM为一个从轴的同步起始点，由所述同步算法处理模块求得离当前从轴最近的一个同步起始点至当前从轴的同步起始位置SYNSTR的距离Lini，Lini = STIME*主轴速度；
[0014]步骤2、由所述同步算法处理模块求解Lini = VQt+l/2at2得到所述主轴达到同步起始位置SYNSTR的时间t，式中，V0为所述高速计数器模块对所述主轴第一次采样时的初速度，加速度a = (V1-VtlVT,式中，T为所述高速计数器模块的采样周期，V1为所述高速计数器模块经过一个采样周期后的所述主轴的末速度；
[0015]步骤3、从轴在虚拟原点等待(t-SHME)后开始启动工作。
[0016]优选地，所述同步算法处理模块将计算得到的各个参数反馈回所述主控单元，由所述主控单元通过所述人机交互单元向用户展示各个参数。
[0017]优选地，所述高速脉冲输出模块具有N个独立的脉冲输出通道，每个脉冲输出通道与每个所述从轴一一对应，为不同的脉冲输出通道分配不同的通道号，则在所述第二步中，用户还通过人机交互单元向主控单元输入通道号PORT，由所述主控单元完成对该参数的解析后将其输出给同步算法处理模块，同步算法处理模块根据通道号PORT控制所述高速脉冲输出模块通过相应的脉冲输出通道向相应的从轴输出脉冲信号。
[0018]优选地，所述同步控制单元还包括通信控制模块，所述主控单元与所述同步控制单元之间通过该通信控制模块进行数据传递。
[0019]本发明的创新点在于:第一，采用可编程逻辑器件的芯片内部硬件结构，通过虚拟原点-期望同步区算法，实现了输出脉冲根据比例系数同步于输入脉冲。同步延时只依赖于设定的延时周期。第二，指令功能采用和主CPU的分离设计，同步功能在FPGA中执行完成，而不影响整个PLC的扫描周期，使得同步功能响应速度快。第三，用可编程逻辑器件设计的多路脉冲同步指令，输入频率和输出频率比传统单片机要快得多，可以做到每一路并行工作，完全独立不受影响，标称的最高频率和使用的数量没有关系，每一路均能达到最高频率。这就使得小型PLC在低成本的方案下具备了多路脉冲同步输出的运动控制功能，大大增强了市场竞争力。
[0020]本来在其他公司高功能中大型PLC里需要多步完成的复杂功能，在本发明实施的小型PLC里用一条指令即可实现。如果使用多条指令完成，采样周期往往依赖于PLC的扫描周期，当PLC程序庞大的时候，扫描周期非常长，造成从轴响应滞后，输出脉冲间隙大，电机运行不平稳，定位精度差。本发明的同步指令使用方便，同步性能好。同时大大提高了PLC的执行效率，缩短了整个PLC的扫描周期。使得工业运动控制响应更快，位置控制更加精确。
[0021]更进一步，本发明可同时进行3组脉冲同步的操作，适用于多轴控制的运动系统，功能上代替了原来需要使用中大型PLC和运动模块的系统，数量上比原来需要多台PLC才能控制的多轴系统减少了，大大的降低了用户成本，节约了资源。
[0022]更进一步，本发明可以应用于飞剪，定长裁切等需要两个或多个电机间同步的装置，具有良好的社会经济效益。
[0023]综上所述，本发明的优点是提供了一种具有脉冲同步输出功能的低成本通用型小型PLC，用一条指令完成了两个独立电机间的同步控制，同步响应快，定位精确。
【专利附图】
【附图说明】
[0024]图1为本发明所使用的PLC的设计框图，图中，M表示编码器，G表示电机；
[0025]图2为本发明的同步算法的流程图；
[0026]图3为本发明的应用示意图。
【具体实施方式】
[0027]为使本发明更明显易懂，兹以优选实施例，并配合附图作详细说明如下。
[0028]本发明提供的一种实现双轴同步控制的方法仅使用一条指令即可完成主从轴同步功能。本发明中的PLC主机采用主控单元及同步控制单元,本实施例中，主控单元由ARM芯片实现，同步控制单元由大容量可编程逻辑器件FPGA实现。FPGA负责高速脉冲输入采样、同步算法处理以及高速脉冲输出等功能。同步功能的实现在FPGA中完成，和主芯片ARM的分离设计大大减轻了主芯片的工作量，减少了整个PLC的扫描周期。
[0029]如图1所示，在本实施例中，FPGA主要分成4个大的模块。高速计数器模块对编码器的脉冲信号进行精确的计数，驱动主轴及从轴的电机G通过编码器M将运动转化为脉冲信号输入FPGA。通信模块主要负责FPGA和主芯片ARM的数据交换。ARM根据用户设定的同步参数传送给FPGA，通信模块将收到的这些参数分别传送给高速计数器模块、高速脉冲输出模块和同步算法处理模块。最终又将实时数据和处理结果传回到ARM主控制器，用户可对指令进行监控，并进行数据的读取。同步算法处理模块将高速计数模块采集的数据进行分析，计算出主轴实时的运行频率、运行距离，再通过特定的算法计算出从轴应当维持怎样的频率保持和主轴同步。并且，同步算法处理模块有预判功能,根据一段时间主轴的运行和用户输入的参数，事先计算从轴的运行参数。这种算法使得从轴同步精度高，延时小。最终同步算法处理模块将从轴的跟随频率和跟随距离实时发送给高速脉冲输出模块。这样就完成了一个同步周期的工作。
[0030]为了使得本领域技术人员能够更容易理解本发明，本实施例以一个最简单的一个主轴与一个从轴同步的例子来对本发明提供的方法做出说明，并将本发明提供的方法应用在对材料进行定长切割的场合。本领域技术人员在理解了本发明后，可以将其应用在其他场合，也可以实现一个主轴与多个从轴之间的同步。
[0031]在图3中，主轴顺时针转动以驱动传输带运动，传输带上放置有待切割材料，待切割材料上每隔一段距离有一个切割点，该距离为主轴长度MLEM，在每个切割点附近安装一个传感器，在本实施例中，传感器选用色标传感器。从轴上则安装切刀，从轴与主轴同步过程中由切刀在预定切割点对待切割材料进行切割。
[0032]结合图2，本实施例中的主轴与从轴的同步过程为:
[0033]第一步、用户通过人机交互单元向主控单元输入主轴长度MLEM、从轴长度SLEN、同步起始位置SYNSTR、同步区长度SYNLEN、从轴加减速时间SHME、主轴运行频率MFRQ、从轴与主轴的同步倍率RAT1、从轴方向DIR、输入脉冲模式INMOD及通道号PORT，主控单元完成对指令的解析后将上述参数输出给同步算法处理模块。其中:
[0034]从轴长度SLEN为从轴的周长；同步起始位置SYNSTR为动作部开始设定动作的位置；同步区长度SYNLEN为切刀开始切割动作至完成切割动作的时间内从轴转过的长度或输送机构输送物料的距离；从轴方向DIR规定了从轴的转动方向，在本实施例中，从轴为逆时针旋转；输入脉冲模式INMOD则设定了高速计数模块的工作模式，在本实施例中，可以为高速计数模块设定3种不同的工作模式；高速脉冲输出模块具有多个独立的脉冲输出通道，每个脉冲输出通道与每个从轴一一对应，为不同的脉冲输出通道分配不同的通道号，用户通过人机交互单元向主控单元输入通道号PORT，由主控单元完成对该参数的解析后将其输出给同步算法处理模块，同步算法处理模块根据通道号PORT控制高速脉冲输出模块通过相应的脉冲输出通道向相应的从轴输出脉冲信号。
[0035]第二步、从轴在同步控制单元的控制下运行至预先设定的机械原点后，从轴停止动作，同步算法处理模块等待由主控单元或高速计数器模块给出的起始信号，接收到该起始信号后，同步算法处理模块计算从轴自机械原点加速至同步起始位置SYNSTR的加速度Al =(主轴速度*RAT10)/SHME，高速脉冲输出模块根据加速度Al控制从轴在从轴加减速时间SHME内以加速度Al加速运动至同步起始位置SYNSTR。
[0036]机械原点是安装在从轴上的机械点，一般用光电接近开关，根据实际需要确定位置。PLC程序前期会有一个单独的回归原点指令。由于本发明和前期准备工作无关，因此这里假设已经在原点初始状态开始执行。
[0037]第三步、从轴从同步起始位置SYNSTR开始在同步区长度SYNLEN内以主轴速度*RAT10为速度跟随主轴，动作部对物料完成切割动作后，从轴与主轴完成同步，从轴从当前速度加速或减速到回归速度V后运行至机械原点后返回第二步，主轴则一直根据主轴运行频率MFRQ保持匀速运动，其中，回归速度V =回归距离/T，回归距离=SLEN-机械原点至同步起始位置SYNSTR的距离-SYNLEN，T为自主轴离开同步区始至触发下一个起始信号所需要的时间，T =剩余长度/主轴速度，剩余长度=MLEM-机械原点至同步起始位置SYNSTR的距离-SYNLEN。
[0038]在本实施例中，起始信号可以由色标传感器触发,也可以由高速计数模块对主轴计数至设定脉冲数后触发。
[0039]上述步骤为主轴到达由主轴运行频率MFRQ确定的转速后匀速运动时与从轴的同步过程。而在主轴由静止到匀速的加速过程中，其与从轴的同步过程为:
[0040]步骤1、令输送机构上每隔一个主轴长度MLEM为一个从轴的同步起始点，即色标传感器的安装位置，由同步算法处理模块求得离当前从轴最近的一个同步起始点至当前从轴的同步起始位置SYNSTR的距离Lini，Lini = STIME*主轴速度；
[0041]步骤2、由所述同步算法处理模块求解Lini = Vj+l/^at2得到所述主轴达到同步起始位置SYNSTR的时间t，式中，V0为所述高速计数器模块对所述主轴第一次采样时的初速度，加速度a = (V1-VtlVT,式中，T为所述高速计数器模块的采样周期，V1为所述高速计数器模块经过一个采样周期后的所述主轴的末速度；
[0042]步骤3、从轴在机械原点等待(t-STIME)后开始启动工作。
【权利要求】
1.一种实现双轴同步控制的方法，该双轴包括一个主轴及N个从轴，NS 1，由主轴驱动输送机构动作，输送机构上承载有物料，输送机构在主轴驱动下将物料向从轴所在位置输送，每个从轴则控制一个动作部，主轴每将物料输送一段主轴长度MLEM后，动作部在相应从轴控制下对输送至的物料与输送机构同步地完成一个设定动作，其特征在于，主轴与第i个从轴的同步控制方法包括以下步骤，i = 1，…，N: 第一步、在PLC内设计主控单元及同步控制单元,主控单元连接人机交互单元；同步控制单元至少包括高速计数器模块、同步算法处理模块及高速脉冲输出模块，由高速计数器模块对与主轴及从轴相连的编码器的脉冲信号进行精确计数，由高速脉冲输出模块向主轴及从轴输出控制其动作的脉冲信号； 第二步、用户通过人机交互单元向主控单元至少输入主轴长度MLEM、从轴长度SLEN、同步起始位置SYNSTR、同步区长度SYNLEN、从轴加减速时间SHME、主轴运行频率MFRQ及从轴与主轴的同步倍率RAT1，主控单元完成对指令的解析后将上述参数输出给同步算法处理模块，其中，从轴长度SLEN为从轴的周长，同步起始位置SYNSTR为动作部开始与主轴线速度达到一致的位置，同步区长度SYNLEN为动作部与主轴线速度保持一致运行的距离；第三步、从轴在同步控制单元的控制下运行至预先设定的机械原点后，再运行至内部计算所得的虚拟原点，然后从轴停止动作，虚拟原点的位置在同步起始位置SYNSTR之前，距离为从轴在加速时间SHME内以加速度Al运动至同步起始位置SYNSTR的距离，同步算法处理模块等待由主控单元或高速计数器模块给出的起始信号，接收到该起始信号后，同步算法处理模块计算从轴自机械原点加速至同步起始位置SYNSTR的加速度Al =(主轴速度*RAT1)/STIME，高速脉冲输出模块根据加速度Al控制从轴在从轴加减速时间STIME内以加速度Al加速运动至同步起始位置SYNSTR ； 第四步、从轴从同步起始位置SYNSTR开始在同步区长度SYNLEN内以主轴速度*RAT10为速度跟随主轴，动作部对物料完成设定动作后，从轴与主轴完成同步，从轴从当前速度加速或减速到回归速度V后运行至虚拟原点后返回第三步的等待起始信号，主轴则一直根据主轴运行频率MFRQ保持匀速运动，其中，回归速度V =回归距离/T，回归距离=SLEN-虚拟原点至同步起始位置SYNSTR的距离-SYNLEN，T为自主轴离开同步区始至触发下一个起始信号所需要的时间，T =剩余长度/主轴速度，剩余长度=MLEM-主轴速度*SHME-SYNLEN。
2.如权利要求1所述的一种实现双轴同步控制的方法，其特征在于:在所述主轴由静止加速至由所述主轴运行频率MFRQ确定的主轴速度的加速过程中，所述主轴与所述第i个从轴的同步过程为: 步骤1、令所述输送机构上每隔一个主轴长度MLEM为一个从轴的同步起始点，由所述同步算法处理模块求得离当前从轴最近的一个同步起始点至当前从轴的同步起始位置SYNSTR 的距离 Lini，Lini = STIME* 主轴速度； 步骤2、由所述同步算法处理模块求解Lini = V0t+l/2at2得到所述主轴达到同步起始位置SYNSTR的时间t，式中，Vtl为所述高速计数器模块对所述主轴第一次采样时的初速度，加速度a = (V1-VtlVT,式中，T为所述高速计数器模块的采样周期,V1为所述高速计数器模块经过一个采样周期后的所述主轴的末速度； 步骤3、从轴在虚拟原点等待(t-STIME)后开始启动工作。
3.如权利要求1所述的一种实现双轴同步控制的方法，其特征在于:所述同步算法处理模块将计算得到的各个参数反馈回所述主控单元，由所述主控单元通过所述人机交互单元向用户展示各个参数。
4.如权利要求1所述的一种实现双轴同步控制的方法，其特征在于:所述高速脉冲输出模块具有N个独立的脉冲输出通道，每个脉冲输出通道与每个所述从轴一一对应，为不同的脉冲输出通道分配不同的通道号，则在所述第二步中，用户还通过人机交互单元向主控单元输入通道号PORT，由所述主控单元完成对该参数的解析后将其输出给同步算法处理模块，同步算法处理模块根据通道号PORT控制所述高速脉冲输出模块通过相应的脉冲输出通道向相应的从轴输出脉冲信号。
5.如权利要求1所述的一种实现双轴同步控制的方法，其特征在于:所述同步控制单元还包括通信控制模块，所述主控单元与所述同步控制单元之间通过该通信控制模块进行数据传递。
【文档编号】G05B19/18GK104238447SQ201410482857
【公开日】2014年12月24日 申请日期:2014年9月19日 优先权日:2014年9月19日
【发明者】琚长江, 应成, 薛吉, 侯金华, 程睿远 申请人:上海电器科学研究院, 上海电器科学研究所（集团）有限公司