【正文】 3. 允許輸。梯形圖的輸入總是在圖形的左邊，輸出總是在圖形的右邊，因而觸點(diǎn)與左母線相連，線圈或功能框終止右母線，從而構(gòu)成一個(gè)梯級(jí)。 STEP7Micro/win32 梯形圖編輯器在繪圖時(shí)，通常將右母線省略。對(duì)梯形圖、功能塊圖、語句表程序分段后，就可通過編程軟件實(shí)現(xiàn)它們之間的相互轉(zhuǎn)換。功能塊圖（ FBD）中，使用網(wǎng)絡(luò)概念給程序分段。 編程的一般規(guī)約 1. 網(wǎng)絡(luò) 在梯形圖（ LAD）中，程序被分成稱為網(wǎng)絡(luò)的一些程序段。 在這次設(shè)計(jì)中，所有程序都是用 STEP7Micro/win32 的軟件平臺(tái)完成的。這種塊圖通常有若干個(gè)輸入端和若干個(gè)輸出端。通過軟連接的方法把所需的功能塊圖3 基于 PLC 的清淤機(jī)器人控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 31 連接起來，用于實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的控制。一般用一種功能方框表示一種特定的功能，框圖內(nèi)的符號(hào)表達(dá)了該功能框圖的功能。這種編程語言可使用簡(jiǎn)單編程器編程，但比較抽象，一般與梯形圖語言配合使 用，互為補(bǔ)充。操作碼表示的是指令需要完成的操作功能，操作數(shù)為變量或常數(shù)。梯形圖信號(hào)流向清楚、簡(jiǎn)單、直觀、易懂，很適合電氣工程人員使用。它沿用了繼電器、觸點(diǎn)、串并聯(lián)等術(shù)語和 類似的圖形符號(hào)，具有很強(qiáng)的直觀性和形象感。因此，一般 PLC 編程語言的主要特點(diǎn)有：圖形化指令結(jié)構(gòu)；明確的變量和常數(shù)；簡(jiǎn)化的程序結(jié)構(gòu)；應(yīng)用軟件形成過程簡(jiǎn)便；程序調(diào)試容易等。其余由系統(tǒng)軟件自動(dòng)完成。由于 PWM 端口要接收高速脈沖，所以它必須接到 PLC 的 或 上， DIR 端口分別接到 或 。 直流電機(jī) 驅(qū)動(dòng)器和電機(jī)的連接 直流電機(jī)只有正負(fù)極兩個(gè)端點(diǎn)，它的連接相對(duì)比較簡(jiǎn)單，直接和驅(qū)動(dòng)器的兩個(gè)輸出端相連就滿足要求了。 電源線橫截面≥ 平方毫米，盡量短。s 量級(jí)；晶體管型接口只能帶直流負(fù)載，響應(yīng)時(shí)間最短，為 ns 量級(jí)?？刂曝?fù)載的輸出信號(hào)也有不同的形式，同樣要選擇合適的輸出接口。這些信號(hào)有的是開關(guān)量，有的是模擬量，有的是直流信號(hào)，有的是交流信號(hào)，所以要根據(jù)輸入信號(hào)的類型選擇合適的輸入接口。 來自現(xiàn)場(chǎng)的檢測(cè)元件、指令元件的信號(hào)經(jīng)輸人接口進(jìn)入 PLC。 輸入 /輸出接口是 PLC 主機(jī)與外部設(shè)備之間的連接電路。網(wǎng)絡(luò)讀寫指令的應(yīng)用詳見前面 S7200指令介紹，通信程序見程序清單。 CPU226為主站， CPU224為從站，當(dāng)主站CPU226發(fā)出申請(qǐng)或查詢時(shí)，從站 CPU224才響應(yīng)。利用自由口模式，可以連接多種智能設(shè)備，如打印機(jī)、變頻器、條碼閱讀器等，以及實(shí)現(xiàn) PLC 與上位機(jī)通訊、連接調(diào)制解調(diào)器等。在 Freeport 方式下，通訊口的協(xié)議由外設(shè)決定， PLC 通過程序來適應(yīng)外設(shè)。提高系統(tǒng)的處理能力和安 全性，這對(duì)于大型的控制系統(tǒng)和控制對(duì)象相對(duì)分散的情況很有實(shí)用價(jià)值。 S7200 系列 PLC 可以通過內(nèi)部集成或擴(kuò)展的通訊接口連接到ROFIBUS 上，從而與一個(gè)大型的控制系統(tǒng)有機(jī)地結(jié)合起來。 3 基于 PLC 的清淤機(jī)器人控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 26 3. ROFIBUS 協(xié)議 ROFIBUS 協(xié)議設(shè)計(jì)用于分布式 I/O 設(shè)備的高速通訊，它是目前應(yīng)用最為廣泛的現(xiàn)場(chǎng)總線協(xié)議。 2. MPI 通訊協(xié)議 MPI 協(xié)議可以是主 /主協(xié)議或主 /從協(xié)議，協(xié)議如何操作取決于設(shè)備類型。在編程時(shí)，用網(wǎng)絡(luò)讀寫指令 NETR 和 NETW 進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳遞。 PPI 是一個(gè)主 /從協(xié)議，任這個(gè)協(xié)議中，主站（ PLC、編程器或操作單元）給從站（網(wǎng)絡(luò)中的所有 PLC 都可作為從站）發(fā)出申請(qǐng)，從站進(jìn)行響應(yīng)、從站不初始化信息，但是當(dāng)主站發(fā)出申請(qǐng)或查詢時(shí)，從站才響應(yīng)。 S7200 系列 PLC 支持多種通訊協(xié)議，包括點(diǎn)對(duì)點(diǎn)接口（ PointtoPoint Interface， PPI）、多點(diǎn)接口（ MultiPoint Interface， MPI） 、現(xiàn)場(chǎng)總線 PROFIBLS 和自由口（ Freeport） 方式。 由于選擇了兩臺(tái) PLC，所以就必須進(jìn)行兩臺(tái) PLC之間的網(wǎng)絡(luò)通信。 在 S7200系列 PLC中，一臺(tái) PLC中只有兩個(gè)高速脈沖輸出端，但是控制系統(tǒng)要有四個(gè) PWM脈沖輸出來控制三臺(tái)步進(jìn)電機(jī)和一臺(tái)直流電機(jī)，因此必須選兩個(gè) PLC才能進(jìn)行控制。不同公司的產(chǎn)品，對(duì)系統(tǒng)總點(diǎn)數(shù)及擴(kuò)展模塊的數(shù)量都有限制。在統(tǒng)計(jì)時(shí)，應(yīng)考慮為了控制的要求而增加的一些開關(guān)、按鈕或 報(bào)警的信號(hào)，例如，增加總的供電開關(guān)、為手動(dòng)需要而增加的手動(dòng)自動(dòng)開關(guān)、為聯(lián)鎖需要設(shè)置的聯(lián)鎖、非聯(lián)鎖開關(guān)等。 3 基于 PLC 的清淤機(jī)器人控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 25 首先確定系統(tǒng)用 PLC是單機(jī)控制還是用 PLC形成網(wǎng)絡(luò)，由此計(jì)算 PLC的輸入輸出點(diǎn)數(shù)，并且在選購 PLC時(shí)要在實(shí)際需要點(diǎn)數(shù)的基礎(chǔ)上有一定的余量（ 10%）。 5. 如果需要急停時(shí)，按下急停按鈕，四臺(tái)電機(jī)全部停止。此時(shí)，報(bào)警器開始報(bào)警。 4. 當(dāng)清污機(jī)到達(dá)左井口行程開關(guān)時(shí)，接收到左行程開關(guān)發(fā)出的導(dǎo)通信號(hào)，清淤機(jī)器人停止。當(dāng)清淤機(jī)器人不能向前運(yùn)動(dòng)時(shí)，光電編碼器停止輸出脈沖給高速計(jì)數(shù)器，利用高速計(jì)數(shù)功能當(dāng)檢測(cè)到當(dāng)前值等于上一時(shí)間段的值時(shí)，說明清淤機(jī)器人遇障并停止工作。 2. 清淤機(jī)器人在工作過程中，通過高速計(jì)數(shù)指令完成載體打滑、電機(jī)過載、遇大障及工作位置輸出的檢測(cè)。同樣條件下 ， 低端續(xù)流二極管的反向恢復(fù)時(shí)間為 100ns， 反向恢復(fù)電流為 4A。利用內(nèi)部 300kHz的振蕩器對(duì)內(nèi)部自舉電容充電可獲得 14V電壓 ， 該驅(qū)動(dòng)電壓的上升時(shí)間為 20ns， 可保證器件的開關(guān)頻率達(dá)1kHz； 開關(guān)頻率更高時(shí) ， 可采用外部自舉電容 ， 并由 DMOS管對(duì)該自舉電容充電 ，H橋輸出端與自舉端接入 10nF外部電容 ， 可提供上升時(shí)間達(dá) 100ns的驅(qū)動(dòng)電壓 ， 從而保證開關(guān)頻率達(dá)到 500kHz。 4） 充電泵電路 如圖 18所示 ， 開通高端的 DMOS管時(shí) ， 每個(gè)器件的柵極電壓應(yīng)比電流取樣電壓約高 8V。由于短路將產(chǎn)生大量熱量 ， 因此 ， 實(shí)際 使用時(shí) ， LMD18200必須配備面積足夠大的散熱器 。器件關(guān)斷后 ， 保護(hù)電路周期性的重新試圖開通功率器件。 3） 限流 LMD18200內(nèi)部含有限流保護(hù)電路。 2 清淤機(jī)器人控制系統(tǒng)分析 23 2） 溫度報(bào)警標(biāo)志 該端 （ 9腳 ） 為 OC門輸出 ， 該端通常接到系統(tǒng)控制器的中斷輸入 ， 以便過熱時(shí)對(duì)系統(tǒng)采取適當(dāng)措施。該端最高電壓 12V。 4. 驅(qū)動(dòng)器電路設(shè)計(jì) 圖 17為所設(shè)計(jì)的驅(qū)動(dòng)器電路原理圖 ： 圖 17 驅(qū)動(dòng)器電路原理圖 5. 基本工作原理 1） 電流取樣 每輸出 1A電流 ， 腳 8輸出 377nA的取樣電流。使用單極性 工作方式，在單極性這種工作方式中 ， PWM脈沖信號(hào)接在 LMD18200的 PWM端 ， 而方向信號(hào)接在 DIR端 ， PWM端脈沖信號(hào)的占空比決定電機(jī)轉(zhuǎn)速 ， 而 DIR端的電平高低決定電機(jī)轉(zhuǎn)向。 3. 控制方式 LMD18200提供雙極性方式 （ 也稱反向鎖定控制）和單極性方式 （ 也稱方向脈寬控制 ） 兩種工作方式。 6） 芯片過熱報(bào)警輸出和自動(dòng)關(guān)斷。 2 清淤機(jī)器人控制系統(tǒng)分析 22 4） TTL和 CMOS兼容的控制信號(hào)輸入 。 2） 電源電壓 55V。提供溫度報(bào)警信號(hào) ， 芯片結(jié)溫達(dá) 145℃時(shí) ， 該端變?yōu)榈碗娖?， 結(jié)溫達(dá) 170℃時(shí) ， 芯片關(guān)斷。 8腳 ： 電流取樣輸出端 ， 提供電流取樣信號(hào)。 PWM信號(hào)與驅(qū)動(dòng)電流方向的關(guān)系見表 3， 該端與 3腳（ DIRECTION） 如何使用 ， 決定于 PWM信號(hào)類型。 此時(shí) ， 每個(gè)輸出端只有很小的電流 （ 1. 5mA） 。 3腳呈邏輯低電平時(shí) ， H橋中兩個(gè)低端晶體管導(dǎo)通。剎車時(shí) ， 將該腳置邏輯高電平 ， 并將 PWM信號(hào)輸入端 （ 腳 5） 置邏輯高電平 ， 腳 3的邏輯狀態(tài)決定于短路馬達(dá)所用器件。 4腳 ： 剎車輸入端。 3腳 ： 方向輸入端。 其內(nèi)部結(jié)構(gòu)原理圖如下： 圖 16 LMD182020 內(nèi)部結(jié)構(gòu)原理圖 1. 各引腳的功能 2 清淤機(jī)器人控制系統(tǒng)分析 21 11腳 ： 橋臂 2的自舉輸入電容連接端 ， 在腳 1與腳 腳 10與腳 11之間應(yīng)接入 10nF的自舉電容。 LMD18200 的 5 腳為 PWM 波輸入端，通過改變 PWM 的占空比就可調(diào)節(jié)電機(jī)的速度，改變 3 腳的高低電平即可控制電機(jī)的正反轉(zhuǎn)。 LMD18200 是美國國家半導(dǎo)體公司推出的專用于直流電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的 H 橋組件，同一芯片上集成有 CMOS控制電路和 DMOS 功率器件。 下表中列出了控制信號(hào)高有效和低有效時(shí)的接線方式。 注意：公共端不能與大地（殼體）接到一起。 下面為脈沖、方向信號(hào)時(shí)序圖： 3A 3B 3Astepright leftPU LE S ：DI R ：2 2 1脈寬定義：脈寬和脈沖間隔 2 . 5 u s ；占 空 比：可選用任意占空比的脈沖；輸入信號(hào)：采用光耦隔離；切換時(shí)間：轉(zhuǎn)動(dòng)方向的切換時(shí)間 0 u s ；1Hold tim e 2 . 5 u s2 Se tu p ti me 0u s3A M in im um p ul se w id th 2. 5u s3B M in im um p ul se p au se 2. 5u s 圖 15 脈沖、方向信號(hào)時(shí)序圖 5. 控制信號(hào)連接 上位機(jī)的控制信號(hào)可以高電平有效，也可以低電平有效。當(dāng)驅(qū)動(dòng)器正常工作時(shí)繼電器閉合，外部 24VDC 通過繼電器輸入到 CNC 輸入端，否則外部 24VDC 無法輸入到 CNC 輸入端。繼電器允許最高輸入電壓和電流是：35VDC， 10mA≤ I≤ 200mA，電阻性負(fù)載。 READDY: 輸入報(bào)警信號(hào)。 CCW：反轉(zhuǎn)信號(hào)，每個(gè)脈沖使電機(jī)反向轉(zhuǎn)動(dòng)一步。 DIR：方向信號(hào)輸入端，如“ DIR”為低電平，電機(jī)按順時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)；2 清淤機(jī)器人控制系統(tǒng)分析 19 “ DIR”為高電平電機(jī)按逆時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)。 11）電機(jī)上下電時(shí)，輸出軸位置不變，給工作帶來很大方便。 9）電機(jī)每轉(zhuǎn)步數(shù)可依用戶要求分別設(shè)定為 500、 1000、 5000、 10000 步 /轉(zhuǎn)。 7）比同樣尺寸的反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)所產(chǎn)生的功率大 20%左右。 5）電機(jī)和驅(qū)動(dòng) 器間僅用 3 根線，減少連線出錯(cuò)的可能性。 3）電路板采取三防處理，有過熱、過壓、欠壓、過流及相間短路保護(hù)功能。 1. 電氣參數(shù)如下表 表 2 WD3007 的 電氣參數(shù) 輸入電壓 單相 220V 輸入（ 30%~+20%）；頻率： 45~66Hz 輸入電流 小于 安培 輸出電壓 3 325VAC 輸出電流 ~ 功 耗 功耗： 80W；內(nèi)部保險(xiǎn)： 溫 度 工作溫度小于 50℃；存放溫度 40℃ ~70℃ 濕 度 不能結(jié)露，不能有水珠 氣 體 禁止有可燃?xì)怏w和大量導(dǎo)電灰塵 2. WD3007 的主要特點(diǎn)： 1）交流伺服工作原理，交流伺服運(yùn)行特性，三相正弦電流驅(qū)動(dòng)輸出。這兩個(gè)驅(qū)動(dòng)器的電氣性能基本相同。 驅(qū)動(dòng)器 WD3007 主要驅(qū)動(dòng) 2Nm12Nm 三相混合式步進(jìn)電機(jī)，因此它用來驅(qū)動(dòng)載體步進(jìn)電機(jī)和調(diào)節(jié)壓緊步進(jìn)電機(jī)。其中，步進(jìn)電機(jī)為 德國百格拉公司生產(chǎn)的步進(jìn)電機(jī)。當(dāng)然還有一些對(duì)設(shè)備的基本要求，如體積小、結(jié)構(gòu) 簡(jiǎn)單、成本低、維修方便以及安全可靠等。功率放大器的主要功用是根據(jù)電機(jī)或負(fù)載的需要，將環(huán)行分配器輸出的各相電信號(hào)進(jìn)行放大。 環(huán)行分配器主要使電機(jī)各相繞組按一定的順序和時(shí)間導(dǎo)通并根據(jù)輸入指令使電機(jī)正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)，實(shí)際上就是用以確定電機(jī)的工作方式。這 里只對(duì)電子變換器即驅(qū)動(dòng)電源作介紹。變換器的基本構(gòu)成形式由機(jī)械變換器發(fā)展到電子變換器。 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電源 大家知道，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的控制指令是單一碼，就是一串脈沖方波。所以，發(fā)展推廣步進(jìn)電動(dòng)機(jī)就與驅(qū)動(dòng)電源的研究開發(fā)分不開。在多數(shù)情況下，可以代替直流伺服電動(dòng)機(jī)和交流伺服電動(dòng)機(jī)。起動(dòng)停車，反轉(zhuǎn)及其他任何運(yùn)行方式的改變，都在少數(shù)脈沖內(nèi)完成，在一定的頻率范圍內(nèi)運(yùn)行時(shí)，任何運(yùn)行方式都不會(huì)丟失一步。也就是說，轉(zhuǎn)子運(yùn)動(dòng)的速度主要取決于脈沖信號(hào)的頻率而轉(zhuǎn)子運(yùn)動(dòng)的 總位移量則取決于總的脈沖信號(hào)；誤差不長期積累。 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)可以作為驅(qū)動(dòng)電機(jī)，但大部分情況下是作為控制電動(dòng)機(jī)用的。 當(dāng)外加脈沖信號(hào)時(shí)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的機(jī)械運(yùn)動(dòng)與脈沖信號(hào)相對(duì)應(yīng)，也就是說作同步的旋轉(zhuǎn)。分配回路和功率放大等環(huán)節(jié)在一路組成步 進(jìn)電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)器。 從電機(jī)元件本身來看只要在各相繞組內(nèi)輪流通電，就能產(chǎn)生步進(jìn)運(yùn)動(dòng)。 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的輸入是脈沖信號(hào)，從它繞組內(nèi)的電流來看，既不是通常的正弦交流，也不是恒定的直流，而是脈沖的電流，所以有時(shí)也叫做脈沖馬達(dá)。通俗地講，就是外加一個(gè)脈沖信號(hào)于這種電動(dòng)機(jī)時(shí)，它就運(yùn)動(dòng)一步。 NETW 指令可以向遠(yuǎn)程站點(diǎn)上寫 16 個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)。 NETR 指令可以從遠(yuǎn)程站 點(diǎn)上讀 16 個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)。如下圖所示： 圖 9 調(diào)用初始化子程序 在子程序 SBR0 中，進(jìn)行 PWM 操作的初始化，如下圖： SBR0 EN 2 清淤機(jī)器人控制系統(tǒng)分析 14 MOVB EN ENO 16DB IN OUT SMB77 MOVB EN ENO 1000 I