CN105487462A

CN105487462A - 一种plc运动控制模块功能验证设备与验证方法

Info

Publication number: CN105487462A
Application number: CN201510932991.1A
Authority: CN
Inventors: 刘冬; 丛明; 郑华栋; 杜宇
Original assignee: Dalian University of Technology
Current assignee: Dalian University of Technology
Priority date: 2015-12-14
Filing date: 2015-12-14
Publication date: 2016-04-13
Anticipated expiration: 2035-12-14
Also published as: CN105487462B

Abstract

本发明提供一种PLC运动控制模块功能验证设备与验证方法。该PLC运动控制模块功能验证设备包括PLC运动控制器系统、耦合型并联平台以及上位机。耦合型并联平台为三条并联支链和一个旋转伸缩轴组成的耦合型并联机构；PLC运动控制器系统包括控制器a2、控制器b3和伺服驱动系统；所述的上位机通过以太网6与控制器a2通信；通过RS485串口与控制器b3通信。该PLC运动控制模块功能验证方法集建模、优化、仿真及实验于一体，可从单轴、多轴、轴组等方面对PLC运动规划控制的性能进行高效验证，具有良好的灵活性和扩展性。

Description

一种PLC运动控制模块功能验证设备与验证方法

技术领域

本发明属于自动控制技术领域，涉及一种PLC运动控制模块功能验证设备与验证方法。

背景技术

PLC控制运动系统是工业生产的重要组成部分，可实现精确的定位控制，并且成本较低，硬件维护方便，在工业生产中得到广泛的应用。PLC运动控制指令分单轴、多轴和轴组指令。单轴指令主要由绝对定位指令和相对定位等指令组成；多轴指令主要由电子齿轮、电子凸轮两组指令组成；轴组指令提供空间直线、圆弧以及NURBS样条插补功能，通过型值点确定轨迹方程，在满足误差精度要求的情况下将轨迹方程转化为插补点执行。而在工业控制系统应用过程中，除上述指令外，通常还需要开发新的各类运动控制功能指令，以保证满足实际应用需求。尤其在PLC运动控制器进行多轴、轴组同步控制应用中，需要复杂的运动轨迹规划，运动控制指令及其参数设置对实际控制效果影响较大，需要软件修改运动控制指令，无法通过搭建模拟开发平台模拟程序的方式完成调试，而进行实际现场功能验证会增加项目开发周期。

因此，在项目初期的开发调试过程中，需要一种可在多种行业应用的运动控制模块功能验证设备，本实施例中的功能验证设备采用耦合型并联机构与控制器a2和控制器b3的双PLC运动控制器搭建的系统平台进行前期功能验证，以降低工业控制系统开发的成本，保证产品的开发质量和周期。

发明内容

针对PLC运动控制功能模块指令及控制程序开发和调试过程中出现的不足，本发明提供一种通用的集建模、优化、仿真及实验于一体的PLC运动控制模块功能验证方法，可从单轴、多轴、轴组等方面对PLC运动规划控制的性能进行高效验证，具有良好的灵活性和扩展性。

为实现上述目的，本发明通过以下技术方案实现：

一种PLC运动控制模块功能验证设备，包括PLC运动控制器系统、耦合型并联平台以及上位机。

所述的耦合型并联平台为三条并联支链和一个旋转伸缩轴组成的耦合型并联机构，在控制信号的激励下，耦合型并联平台能够实现三个方向的耦合平移运动和一个垂直方向的旋转运动，从单轴、多轴、轴组等多个方面对PLC运动控制规划的性能进行验证，实现轴组拆分、组合和变换功能验证；所述的耦合型并联平台具有三到六个自由度构成的多种形式的耦合型并联机构。

所述的PLC运动控制器系统包括控制器a2、控制器b3和伺服驱动系统；所述的控制器a2接受上位机发送的轨迹参数和目标位置信息，并向伺服驱动系统发送高速脉冲序列信号，伺服驱动系统驱动耦合型并联平台进行功能验证；所述的控制器b3与伺服驱动系统通信采集伺服系统反馈的脉冲数和角速度值，采集的数据由上位机进行读取，上位机对采集的数据进行分析处理；所述的伺服驱动系统包括多个伺服驱动以及其它附属传感器系统和逻辑电路等。

所述的PLC运动控制器a2通过发送高速脉冲的方式对伺服驱动进行精确控制。PLC运动控制器系统基于PLCOpen标准的功能块指令对耦合型并联平台进行速度控制、位置控制，实现耦合型并联平台的功能验证；PLC运动控制器系统使用FPGA进行高速计数、脉冲输出和轴组管理，实现耦合型并联平台的精确定位和多轴同步。

所述的上位机通过以太网6与控制器a2通信；通过RS485串口与控制器b3通信。

一种采用上述设备进行PLC运动控制模块功能验证方法，包括以下步骤：

1)建立耦合型并联平台II的运动学模型、动力学模型和运动轨迹模型，由运动学和动力学约束得到约束条件数学模型；根据约束条件数学模型与运动轨迹模型建立轨迹规划模型，利用MATLAB优化求解轨迹规划模型，获得电机驱动曲线。所述的电机驱动曲线包括驱动关节速度、加速度及转矩曲线。

2)搭建耦合型并联平台II的ADAMS仿真模型，ADAMS仿真模型采用插补轨迹规划方法对MATLAB优化求解的轨迹规划模型进行仿真分析，得到仿真结果；仿真结果验证轨迹规划模型对耦合型并联平台末端控制路径偏移以及驱动关节运动曲线动态性能的影响。所述的仿真结果为驱动关节的角速度、角加速度和转矩曲线。

3)基于PLC运动控制模块功能验证设备进行插补轨迹试验，控制器b3与伺服驱动系统通信采集伺服系统反馈的脉冲数和角速度值，处理后，电机速度及转矩曲线由上位机读取得到实验结果，上位机对当前电机运行状态进行实时跟踪测定。

4)将实验结果与仿真结果对比得到单轴、多轴、轴组功能验证结果。

上述的技术方案中，提供一种通用的集建模、优化、仿真及实验于一体的PLC运动控制模块功能验证设备与方法。

本发明的有益效果是：基于耦合型并联机构与控制器a2和控制器b3的双PLC运动控制器搭建的系统平台，通过数据采集与运动控制相互独立，从单轴、多轴、轴组等方面对PLC运动控制规划的性能进行高效验证，可在多种应用场合中验证运动控制指令及其参数设置对实际控制效果影响，具有较好的灵活性和扩展性。

附图说明

图1为PLC运动控制模块功能验证设备系统组成框图；

图2为PLC运动控制模块功能验证方法的流程图；

图3(a)原有门字型轨迹；图3(b)所提轨迹；

图4(a)所提轨迹下Matlab仿真驱动关节速度曲线；

图4(b)所提轨迹下Matlab仿真加速度曲线；

图4(c)所提轨迹下Matlab仿真转矩曲线；

图5为耦合型并联平台ADAMS仿真模型；

图6(a)ADAMS仿真单一驱动关节的角速度曲线；

图6(b)ADAMS仿真单一驱动关节的角加速度曲线；

图6(c)ADAMS仿真单一驱动关节的转矩曲线

图7(a)实验采集的驱动关节转角位移曲线；

图7(b)实验采集的单一驱动关节角速度及转矩曲线；

图中：IPLC运动控制器系统；II耦合型并联平台；III上位机；1伺服驱动系统；a2控制器；b3控制器；4支链；5旋转伸缩轴；6以太网。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进一步描述：

如附图1所示，一种PLC运动控制模块功能验证设备，包括PLC运动控制器系统I、耦合型并联平台II以及上位机III，其中：

上位机III通过以太网6与控制器a2通信，上位机III通过RS485串口与控制器b3通信。PLC运动控制器系统I包括用于接受上位机III发送的轨迹参数和目标位置并向伺服驱动系统1发送脉冲序列信号的控制器a2、用于和伺服驱动系统1通信数据采集并可由上位机III进行变量区数据读取的控制器b3、三套伺服驱动系统1、以及其它附属传感器系统和逻辑电路等。PLC运动控制器a2通过高速脉冲的方式对伺服驱动进行精确控制，基于PLCOpen标准的功能块指令实现期望的速度控制、位置控制等功能。使用FPGA进行高速计数、脉冲输出和轴组管理，实现了运动控制系统的精确定位和多轴同步。耦合型并联平台II为三条并联耦合支链4和一个旋转伸缩轴5组成的并联机构，在控制信号的激励下，实现三个方向耦合平移运动和一个垂直方向的旋转运动。耦合型并联平台II可由三到六自由度等多种形式的并联机构构成，以实现轴组拆分、组合和变换功能验证。

本实施例中的功能验证设备采用数据采集控制器b3与运动控制器a2相互独立的双控制器的方式，通过PLC运动控制器a2实时控制耦合型并联平台，由上位机III和PLC运动控制器b3采集相关验证所需脉冲数、角速度、电机速度及转矩等数据，实施高效的功能验证流程，参照图2，具体实施过程如下：

1)针对耦合型并联平台II闭环连接的结构特点，建立耦合型并联平台II运动学模型，推导出逆运算公式、速度雅克比矩阵和加速度雅克比矩阵；建立耦合型并联平台II动力学模型。针对耦合型并联平台II操作空间轨迹规划任务，建立运动轨迹模型，考虑运动学和动力学约束，提出一种插补轨迹规划方法，参照图3。针对数学模型优化求解问题，利用MATLAB优化求解轨迹规划模型，获得驱动关节速度、加速度及转矩曲线，参照图4，对轨迹优化结果的动态性能和目标优化情况进行分析。

2)搭建了耦合型并联平台II耦合机构的ADAMS仿真模型，参照图5。根据MATLAB优化求解结果，对插补轨迹优化结果进行了仿真分析，获得驱动关节的角速度、角加速度、转矩曲线，参考图6。验证轨迹规划方法对末端控制路径偏移以及驱动关节运动曲线动态性能的影响。

3)在PLC运动控制器a2中写入耦合型并联平台II运动学模型。当PLC运动控制器a2接受到上位机III串口发来的规划好的运动坐标值时，首先进行插补计算，然后通过对插补完的离散点进行数学模型坐标变换，将耦合型并联平台II笛卡尔空间坐标值求解为关节空间中支链4的驱动脉冲，PLC运动控制器a2通过高速脉冲的方式对伺服驱动系统1进行精确的控制，进而完成规划的轨迹。基于移动、启停、读写等PLCOpen标准的功能块指令，完成期望的位置控制验证单轴运动控制功能；基于电子凸轮、齿轮等功能块指令验证多轴运动控制功能，基于组合、拆分、变换等功能块指令验证轴组运动控制功能。此过程中，耦合型并联平台II以不同的行程、速度和加速度使三条支链4进行并联耦合运动。上位机III通过串口对当前电机运行状态进行实时跟踪测定，采集电机速度及转矩曲线。PLC运动控制器b3采集伺服系统1反馈的脉冲数和角速度值，参照图7。根据采集的数据，通过拟合转角位移和速度、转矩曲线，与仿真中曲线的变化趋势对比，验证运动轨迹的准确性以及运动曲线平滑连续性，保证平台的动态性能。

Claims

1.一种PLC运动控制模块功能验证设备，其特征在于，包括PLC运动控制器系统(I)、耦合型并联平台(II)和上位机(III)；

所述的耦合型并联平台(II)包括三条并联支链4和一个旋转伸缩轴(5)，在控制信号下，耦合型并联平台(II)实现三个方向的耦合平移运动和一个垂直方向的旋转运动；所述的耦合型并联平台具有三到六个自由度；

所述的PLC运动控制器系统(I)包括控制器(a2)、控制器(b3)和伺服驱动系统(1)；所述的控制器(a2)接受上位机(III)发送的轨迹参数和目标位置信息，并向伺服驱动系统(1)发送高速脉冲序列信号，伺服驱动系统(1)驱动耦合型并联平台(II)进行功能验证；所述的控制器(b3)与伺服驱动系统(1)通信采集伺服驱动系统(1)反馈的数据，上位机分析处理控制器(b3)采集的数据；所述的伺服驱动系统(1)包括伺服驱动、附属传感器系统和逻辑电路；

所述的上位机(III)通过以太网(6)与控制器(a2)通信，通过串口与控制器(b3)通信。

2.根据权利要求1所述的一种PLC运动控制模块功能验证设备，其特征在于，所述的PLC运动控制器(a2)通过发送高速脉冲的方式对伺服驱动进行精确控制。

3.根据权利要求1或2所述的一种PLC运动控制模块功能验证设备，其特征在于，PLC运动控制器系统(I)基于PLCOpen标准的功能块指令对耦合型并联平台(II)进行速度控制、位置控制，实现耦合型并联平台的功能验证；PLC运动控制器系统(I)使用FPGA进行高速计数、脉冲输出和轴组管理，实现耦合型并联平台(II)的精确定位和多轴同步。

4.一种采用权利要求1或2所述的PLC运动控制模块功能验证设备的验证方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)建立耦合型并联平台(II)的运动学模型、动力学模型和运动轨迹模型，由运动学和动力学约束得到约束条件数学模型；根据约束条件数学模型与运动轨迹模型建立轨迹规划模型，利用MATLAB优化求解轨迹规划模型，获得电机驱动曲线；

2)搭建耦合型并联平台(II)的ADAMS仿真模型，ADAMS仿真模型采用插补轨迹规划法对MATLAB优化求解的轨迹规划模型进行仿真分析，得到仿真结果；

3)基于PLC运动控制模块功能验证设备进行插补轨迹试验，控制器(b3)与伺服驱动系统(1)通信采集伺服驱动系统(1)反馈的脉冲数和角速度值，处理后，电机速度及转矩曲线由上位机读取得到实验结果，上位机对当前电机运行状态进行实时跟踪测定；

4)将实验结果与仿真结果对比得到单轴、多轴、轴组的功能验证结果。

5.根据权利要求4所述的PLC运动控制模块功能验证的方法，其特征在于，所述的电机驱动曲线包括驱动关节速度、加速度及转矩曲线。

6.根据权利要求4所述的PLC运动控制模块功能验证的方法，其特征在于，所述的仿真结果为驱动关节的角速度、角加速度和转矩曲线。

7.根据权利要求5所述的PLC运动控制模块功能验证的方法，其特征在于，所述的仿真结果为驱动关节的角速度、角加速度和转矩曲线。