CN102419565A - 一种具有脉冲同步输出功能的plc - Google Patents

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应成
琚长江
薛吉
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Abstract

本发明提供了一种具有脉冲同步输出功能的PLC，其特征在于：包括分离的单片机及可编程逻辑器件，其中，可编程逻辑器件包括高速计数器模块、通信控制模块及高速脉冲输出模块。本发明具有如下优点：第一、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。第二、本发明可同时进行多路脉冲同步操作，适用于多轴控制的运动系统。第三、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，具有良好的社会效益。

Description

一种具有脉冲同步输出功能的PLC
技术领域
本发明涉及一种具备高速脉冲输出功能和高速计数器功能的可编程控制器，用于同步两台电机。
背景技术
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。
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。
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。
    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，或者中型PLC和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。
发明内容
本发明的目的是提供一种具有脉冲同步输出功能的低成本通用型小型PLC，通过该小型PLC能够实现两台电机的精确同步。
为了达到上述目的，本发明的技术方案是提供了一种具有脉冲同步输出功能的PLC，其特征在于：包括分离的单片机及可编程逻辑器件，其中，可编程逻辑器件包括以下三个模块：
高速计数器模块：高速计数器模块对装在前级电机上旋转编码器的脉冲信号进行精确的计数，得到输入脉冲数及输入脉冲频率；
通信控制模块：通信控制模块将输入脉冲数及输入脉冲频率发送给单片机，及接收经由单片机计算得到的输出脉冲数及输出脉冲频率；
高速脉冲输出模块：从通信控制模块获取输出脉冲数及输出脉冲频率，由其将输出脉冲数及输出脉冲频率后级需同步的电机；
单片机：用于接收用户输入的指令，从指令中获取同步比例系数，根据从通信控制模块获取的输入脉冲数及输入脉冲频率计算得到输出脉冲数及输出脉冲频率，再将输出脉冲数及输出脉冲频率反馈给通信控制模块，其中，输出脉冲数=输入脉冲数*同步比例系数，输出脉冲频率=输入脉冲频率*同步比例系数。
优选地，所述高速计数器模块具有至少两路输入，所述高速脉冲输出模块具有至少两路输出。
本发明具有如下优点：
第一、本来在其他公司高功能型PLC里需要多步完成的复杂功能，或者必须采用价格昂贵的专用同步控制器，在本发明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，造成输出响应滞后，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。
第二、本发明可同时进行多路脉冲同步操作，适用于多轴控制的运动系统，功能上代替原来使用中型PLC、运动模块或者专用同步控制器，数量上减少了原来需要多台PLC才能控制的多轴系统，大大的降低了用户成本，节约了资源。
第三、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，具有良好的社会效益。
附图说明
图1为本发明提供的一种具有脉冲同步输出功能的PLC的系统框图；
图2为本发明的应用原理图；
图3为本发明中指令梯形图的指令框。
具体实施方式
为使本发明更明显易懂，兹以一优选实施例，并配合附图作详细说明如下。
如图1所示，本发明提供的一种具有脉冲同步输出功能的PLC，包括分离的单片机及可编程逻辑器件（FPGA）。在本实施例中，单片机作为主CPU选用NXP公司的ARM。FPGA负责高速计数器采集高速脉冲输入、高速脉冲输出等功能。这两个最重要部分和主CPU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，大幅提高了PLC的性能。
可编程逻辑器件主要包括以下三个模块：
高速计数器模块：高速计数器模块对装在前级电机上旋转编码器的脉冲信号进行精确的计数，得到输入脉冲数及输入脉冲频率。在本实施例中，高速计数器模块具有3路输入，3路同时工作频率均达到100kHz，满足大部分工业运动控制的要求。
通信控制模块：通信控制模块将输入脉冲数及输入脉冲频率发送给单片机，及接收经由单片机计算得到的输出脉冲数及输出脉冲频率；
高速脉冲输出模块：从通信控制模块获取输出脉冲数及输出脉冲频率，由其将输出脉冲数及输出脉冲频率后级需同步的电机。在本实施例中，高速脉冲输出模块具有3路输出，3路同时工作频率均达到100kHz，占空比均匀，脉冲频率变化衔接稳定。使得电机运行平稳，不会有突变的脉冲造成电机的抖动、失步甚至卡死。
采用可编程逻辑器件FPGA的设计，实际上是一种可编程的硬件电路，使得每一路高速输入输出在硬件上完全独立，没有互相影响干扰。
单片机用于接收用户输入的指令，从指令中获取同步比例系数，根据从通信控制模块获取的输入脉冲数及输入脉冲频率计算得到输出脉冲数及输出脉冲频率，再将输出脉冲数及输出脉冲频率反馈给通信控制模块，其中，输出脉冲数=输入脉冲数*同步比例系数，输出脉冲频率=输入脉冲频率*同步比例系数。
如图2所示，为本发明PLSYN指令梯形图的指令框，有三个参数需要设定：
RATIO——同步比例系数，即输出脉冲对应输入脉冲的关系。在指令是执行过程中，可以随时改变比例系数。
DLY——同步延时周期，可以最短精确到100uS的采样周期，适用于需要高精度同步的场合。由可编程逻辑器件+ARM的中断完成，不影响整个PLC扫描周期。
PORT——指定对应的输入输出端口，可以指定3路同时工作。
另外在PLSYN梯形图指令框中，PLSYN表示指令名称的英文缩写，即脉冲同步的意思。EN为输入触点，当前面的逻辑为ON时，执行本指令。ENO为输出点，当本指令被执行时，ENO也同时为ON。
其他设置利用PLC的寄存器。编码器的脉冲输入模式可以设定3种：脉冲+方向；增减脉冲输入；A/B相正交输入。输入模式几乎涵盖了所有旋转编码器、伺服等脉冲计数方式，使用范围广。输出模式采用脉冲+方向模式，可以驱动步进电机和伺服电机。
结合图3，本发明的应用过程为：
前级电机通过选择编码器将前级电机的转速和转动方向信息传送给本发明提供的PLC，PLC根据用户设定的同步比例系数，发送出相对应的高速脉冲用于驱动后级电机。这样就用一条指令完成了两个独立电机间的同步控制，使用方便，同步性能好。而且，通过这种控制，后级电机只滞后于前级电机一个同步周期，最少为100uS，这个延时是固定的、可控的，同步性能高、同步精确。
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，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，只占用主CPU的中断资源，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，可以做到每一路完全独立不受影响，标称的最高频率和使用的通道数没有关系，每一路均能达到最高频率。

Claims (2)

1.一种具有脉冲同步输出功能的PLC，其特征在于：包括分离的单片机及可编程逻辑器件，其中，可编程逻辑器件包括以下三个模块：
高速计数器模块：高速计数器模块对装在前级电机上旋转编码器的脉冲信号进行精确的计数，得到输入脉冲数及输入脉冲频率；
通信控制模块：通信控制模块将输入脉冲数及输入脉冲频率发送给单片机，及接收经由单片机计算得到的输出脉冲数及输出脉冲频率；
高速脉冲输出模块：从通信控制模块获取输出脉冲数及输出脉冲频率，由其将输出脉冲数及输出脉冲频率后级需同步的电机；
单片机：用于接收用户输入的指令，从指令中获取同步比例系数，根据从通信控制模块获取的输入脉冲数及输入脉冲频率计算得到输出脉冲数及输出脉冲频率，再将输出脉冲数及输出脉冲频率反馈给通信控制模块，其中，输出脉冲数=输入脉冲数*同步比例系数，输出脉冲频率=输入脉冲频率*同步比例系数。
2.如权利要求1所述的一种具有脉冲同步输出功能的PLC，其特征在于：所述高速计数器模块具有至少两路输入，所述高速脉冲输出模块具有至少两路输出。
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