專利名稱：一種具有脈沖同步輸出功能的plc的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種具備高速脈沖輸出功能和高速計數(shù)器功能的可編程控制器，用于同步兩臺電機。
背景技術(shù)：
PLC (可編程控制器)由于在惡劣的環(huán)境中工作可靠性高，實時性好，功能強大，使用方便，所以被廣泛應(yīng)用于實際工程中。高速脈沖輸出功能和高速計數(shù)器功能是PLC在位置控制和運動控制領(lǐng)域中的重要組成部分。通過高速脈沖輸出來驅(qū)動電機，利用脈沖編碼器可以采樣電機的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)動方向，轉(zhuǎn)化為脈沖形式，然后通過高速計數(shù)器對其高頻率的脈沖進行精確的計數(shù)，從而實現(xiàn)PLC對電機的控制。具備這兩種功能的PLC可以應(yīng)用在位置控制和運動控制如紡織機械、小型包裝機械等各個工業(yè)領(lǐng)域。在上述位置控制和運動控制的閉環(huán)控制中，特別是用于兩個獨立電機間的同步控制，需要PLC多條指令的配合。通過PLC的高速計數(shù)器采集裝在電機上旋轉(zhuǎn)編碼器的數(shù)據(jù)， 得到電機的速度信息。然后在PLC程序中加入計算過程，再通過PLC的高速脈沖輸出將計算結(jié)果通過脈沖形式輸出到驅(qū)動電機。這樣的做法PLC程序量比較大，更重要的是，PLC采用順序掃描的方式執(zhí)行指令，采用多條分離指令的方式會大大增加PLC掃描周期的時間， 使得運動控制的輸出滯后于輸入的變化，同步性不好。實際控制效果不理想，例如會使生產(chǎn)線傳送帶堆料或者產(chǎn)生牽拉傳送帶現(xiàn)象。另外目前多數(shù)PLC的高速計數(shù)器功能和高速脈沖輸出功能集成在主CPU中，占用主CPU的資源，影響整個PLC的掃描周期，使得輸出滯后于輸入現(xiàn)象更加明顯，這大大縮小了此種PLC的使用范圍。并且即便是一些進口的PLC在多個端口同時工作時，標稱的最高頻率就大打折扣，往往幾路同時使用，實際頻率只能達到最高頻率的幾分之一，這在他們的說明書和技術(shù)參數(shù)上都有說明。為了達到兩個或多個獨立電機間同步控制的目的，在需要高精度同步控制的場合，就不得不選用價格昂貴的專用同步控制器，或者中型PLC和獨立的運動控制模塊、高速計數(shù)器模塊。這大大的增加了整個系統(tǒng)的成本，對資源造成了很大的浪費。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種具有脈沖同步輸出功能的低成本通用型小型PLC，通過該小型PLC能夠?qū)崿F(xiàn)兩臺電機的精確同步。為了達到上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案是提供了一種具有脈沖同步輸出功能的 PLC，其特征在于包括分離的單片機及可編程邏輯器件，其中，可編程邏輯器件包括以下三個模塊
高速計數(shù)器模塊高速計數(shù)器模塊對裝在前級電機上旋轉(zhuǎn)編碼器的脈沖信號進行精確的計數(shù)，得到輸入脈沖數(shù)及輸入脈沖頻率；
通信控制模塊通信控制模塊將輸入脈沖數(shù)及輸入脈沖頻率發(fā)送給單片機，及接收經(jīng)由單片機計算得到的輸出脈沖數(shù)及輸出脈沖頻率；
高速脈沖輸出模塊從通信控制模塊獲取輸出脈沖數(shù)及輸出脈沖頻率，由其將輸出脈沖數(shù)及輸出脈沖頻率后級需同步的電機；
單片機用于接收用戶輸入的指令，從指令中獲取同步比例系數(shù)，根據(jù)從通信控制模塊獲取的輸入脈沖數(shù)及輸入脈沖頻率計算得到輸出脈沖數(shù)及輸出脈沖頻率，再將輸出脈沖數(shù)及輸出脈沖頻率反饋給通信控制模塊，其中，輸出脈沖數(shù)=輸入脈沖數(shù)*同步比例系數(shù)，輸出脈沖頻率=輸入脈沖頻率*同步比例系數(shù)。優(yōu)選地，所述高速計數(shù)器模塊具有至少兩路輸入，所述高速脈沖輸出模塊具有至少兩路輸出。本發(fā)明具有如下優(yōu)點
第一、本來在其他公司高功能型PLC里需要多步完成的復(fù)雜功能，或者必須采用價格昂貴的專用同步控制器，在本發(fā)明里用一條指令即可實現(xiàn)。如果使用多條指令完成，采樣周期往往依賴于PLC的掃描周期，當PLC程序龐大的時候，掃描周期非常長，造成輸出響應(yīng)滯后，輸出脈沖間隙大，電機運行不平穩(wěn)，定位精度差。本發(fā)明的同步指令使用方便，同步性能好。同時大大提高了 PLC的執(zhí)行效率，縮短了整個PLC的掃描周期。使得工業(yè)運動控制響應(yīng)更快，位置控制更加精確。第二、本發(fā)明可同時進行多路脈沖同步操作，適用于多軸控制的運動系統(tǒng)，功能上代替原來使用中型PLC、運動模塊或者專用同步控制器，數(shù)量上減少了原來需要多臺PLC才能控制的多軸系統(tǒng)，大大的降低了用戶成本，節(jié)約了資源。第三、本發(fā)明可以應(yīng)用于飛剪，定長裁切等需要兩個或多個電機間同步的裝置，具有良好的社會效益。


圖1為本發(fā)明提供的一種具有脈沖同步輸出功能的PLC的系統(tǒng)框圖； 圖2為本發(fā)明的應(yīng)用原理圖3為本發(fā)明中指令梯形圖的指令框。
具體實施例方式為使本發(fā)明更明顯易懂，茲以一優(yōu)選實施例，并配合附圖作詳細說明如下。如圖1所示，本發(fā)明提供的一種具有脈沖同步輸出功能的PLC，包括分離的單片機及可編程邏輯器件(FPGA)。在本實施例中，單片機作為主CPU選用NXP公司的ARM。FPGA負責高速計數(shù)器采集高速脈沖輸入、高速脈沖輸出等功能。這兩個最重要部分和主CPU芯片 ARM的分離設(shè)計大大減輕了主芯片的工作量，減少了整個PLC的掃描周期，大幅提高了 PLC 的性能?？删幊踢壿嬈骷饕ㄒ韵氯齻€模塊
高速計數(shù)器模塊高速計數(shù)器模塊對裝在前級電機上旋轉(zhuǎn)編碼器的脈沖信號進行精確的計數(shù)，得到輸入脈沖數(shù)及輸入脈沖頻率。在本實施例中，高速計數(shù)器模塊具有3路輸入，3 路同時工作頻率均達到100kHz，滿足大部分工業(yè)運動控制的要求。通信控制模塊通信控制模塊將輸入脈沖數(shù)及輸入脈沖頻率發(fā)送給單片機，及接收經(jīng)由單片機計算得到的輸出脈沖數(shù)及輸出脈沖頻率；
高速脈沖輸出模塊從通信控制模塊獲取輸出脈沖數(shù)及輸出脈沖頻率，由其將輸出脈沖數(shù)及輸出脈沖頻率后級需同步的電機。在本實施例中，高速脈沖輸出模塊具有3路輸出， 3路同時工作頻率均達到100kHz，占空比均勻，脈沖頻率變化銜接穩(wěn)定。使得電機運行平穩(wěn)，不會有突變的脈沖造成電機的抖動、失步甚至卡死。采用可編程邏輯器件FPGA的設(shè)計，實際上是一種可編程的硬件電路，使得每一路高速輸入輸出在硬件上完全獨立，沒有互相影響干擾。單片機用于接收用戶輸入的指令，從指令中獲取同步比例系數(shù)，根據(jù)從通信控制模塊獲取的輸入脈沖數(shù)及輸入脈沖頻率計算得到輸出脈沖數(shù)及輸出脈沖頻率，再將輸出脈沖數(shù)及輸出脈沖頻率反饋給通信控制模塊，其中，輸出脈沖數(shù)=輸入脈沖數(shù)*同步比例系數(shù)，輸出脈沖頻率=輸入脈沖頻率*同步比例系數(shù)。如圖2所示，為本發(fā)明PLSYN指令梯形圖的指令框，有三個參數(shù)需要設(shè)定 RATIO——同步比例系數(shù)，即輸出脈沖對應(yīng)輸入脈沖的關(guān)系。在指令是執(zhí)行過程中，可
以隨時改變比例系數(shù)。DLY——同步延時周期，可以最短精確到IOOuS的采樣周期，適用于需要高精度同步的場合。由可編程邏輯器件+ARM的中斷完成，不影響整個PLC掃描周期。PORT——指定對應(yīng)的輸入輸出端口，可以指定3路同時工作。另外在PLSYN梯形圖指令框中，PLSYN表示指令名稱的英文縮寫，即脈沖同步的意思。EN為輸入觸點，當前面的邏輯為ON時，執(zhí)行本指令。ENO為輸出點，當本指令被執(zhí)行時， ENO也同時為ON。其他設(shè)置利用PLC的寄存器。編碼器的脈沖輸入模式可以設(shè)定3種脈沖+方向； 增減脈沖輸入；A/B相正交輸入。輸入模式幾乎涵蓋了所有旋轉(zhuǎn)編碼器、伺服等脈沖計數(shù)方式，使用范圍廣。輸出模式采用脈沖+方向模式，可以驅(qū)動步進電機和伺服電機。結(jié)合圖3，本發(fā)明的應(yīng)用過程為
前級電機通過選擇編碼器將前級電機的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)動方向信息傳送給本發(fā)明提供的 PLC, PLC根據(jù)用戶設(shè)定的同步比例系數(shù)，發(fā)送出相對應(yīng)的高速脈沖用于驅(qū)動后級電機。這樣就用一條指令完成了兩個獨立電機間的同步控制，使用方便，同步性能好。而且，通過這種控制，后級電機只滯后于前級電機一個同步周期，最少為lOOuS，這個延時是固定的、可控的，同步性能高、同步精確。本發(fā)明的創(chuàng)新點在于第一，采用可編程邏輯器件的芯片內(nèi)部硬件結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)了輸出脈沖根據(jù)比例系數(shù)同步于輸入脈沖。同步延時只依賴于設(shè)定的延時周期。第二，指令功能采用和主CPU的分離設(shè)計，只占用主CPU的中斷資源，而不影響整個PLC的掃描周期，使得同步功能響應(yīng)速度快。第三，用可編程邏輯器件設(shè)計的多路脈沖同步指令，輸入頻率和輸出頻率比傳統(tǒng)單片機要快得多，可以做到每一路完全獨立不受影響，標稱的最高頻率和使用的通道數(shù)沒有關(guān)系，每一路均能達到最高頻率。
權(quán)利要求
1.一種具有脈沖同步輸出功能的PLC，其特征在于包括分離的單片機及可編程邏輯器件，其中，可編程邏輯器件包括以下三個模塊高速計數(shù)器模塊高速計數(shù)器模塊對裝在前級電機上旋轉(zhuǎn)編碼器的脈沖信號進行精確的計數(shù)，得到輸入脈沖數(shù)及輸入脈沖頻率；通信控制模塊通信控制模塊將輸入脈沖數(shù)及輸入脈沖頻率發(fā)送給單片機，及接收經(jīng)由單片機計算得到的輸出脈沖數(shù)及輸出脈沖頻率；高速脈沖輸出模塊從通信控制模塊獲取輸出脈沖數(shù)及輸出脈沖頻率，由其將輸出脈沖數(shù)及輸出脈沖頻率后級需同步的電機；單片機用于接收用戶輸入的指令，從指令中獲取同步比例系數(shù)，根據(jù)從通信控制模塊獲取的輸入脈沖數(shù)及輸入脈沖頻率計算得到輸出脈沖數(shù)及輸出脈沖頻率，再將輸出脈沖數(shù)及輸出脈沖頻率反饋給通信控制模塊，其中，輸出脈沖數(shù)=輸入脈沖數(shù)*同步比例系數(shù)，輸出脈沖頻率=輸入脈沖頻率*同步比例系數(shù)。
2.如權(quán)利要求1所述的一種具有脈沖同步輸出功能的PLC，其特征在于所述高速計數(shù)器模塊具有至少兩路輸入，所述高速脈沖輸出模塊具有至少兩路輸出。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種具有脈沖同步輸出功能的PLC，其特征在于包括分離的單片機及可編程邏輯器件，其中，可編程邏輯器件包括高速計數(shù)器模塊、通信控制模塊及高速脈沖輸出模塊。本發(fā)明具有如下優(yōu)點第一、本發(fā)明的同步指令使用方便，同步性能好。同時大大提高了PLC的執(zhí)行效率，縮短了整個PLC的掃描周期。使得工業(yè)運動控制響應(yīng)更快，位置控制更加精確。第二、本發(fā)明可同時進行多路脈沖同步操作，適用于多軸控制的運動系統(tǒng)。第三、本發(fā)明可以應(yīng)用于飛剪，定長裁切等需要兩個或多個電機間同步的裝置，具有良好的社會效益。
文檔編號G05B19/05GK102419565SQ20111039504
公開日2012年4月18日 申請日期2011年12月2日 優(yōu)先權(quán)日2011年12月2日
發(fā)明者應(yīng)成, 楊心麗, 琚長江, 程睿遠, 薛吉 申請人:上海電器科學(xué)研究所(集團)有限公司, 上海電器科學(xué)研究院