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　　摘 要：根據(jù)醫(yī)療設(shè)備老化的需求，結(jié)合步進(jìn)電動機控制系統(tǒng)的特點，使用西門子PLC一300和運動模塊FM353控制步進(jìn)電動機運動，實現(xiàn)設(shè)備在實際使用中運動的次數(shù)和機械壽命老化實驗。

　　關(guān)鍵詞:步進(jìn)電動機 運動模塊FM353  PLC

　　1 引言

　　這套步進(jìn)電動機控制系統(tǒng)是為醫(yī)療設(shè)備老化實驗而設(shè)計的。要求系統(tǒng)模擬人在使用設(shè)備過程中部件的運動，測試設(shè)備部件的使用壽命，以及測試相關(guān)聯(lián)的剎車、軟軌等是否符合設(shè)計要求。步進(jìn)電動機最早是在上世紀(jì)20年代由英國人所開發(fā)。上世紀(jì)50年代后期晶體管的發(fā)明也逐漸應(yīng)用在步進(jìn)電動機上，對于數(shù)字化的控制變得更為容易。往后經(jīng)過不斷改良，使得今日步進(jìn)電動機已廣泛運用在需要高定位精度、高分解能、高響應(yīng)性、信賴性等靈活控制性高的機械系統(tǒng)中。步進(jìn)電動機無須位置和速度檢測器件，也沒有反饋電路，控制電路簡單，價格低廉。在生產(chǎn)過程中要求自動化、省人力、效率高的機器中，我們很容易發(fā)現(xiàn)步進(jìn)電動機的蹤跡，尤其以重視速度、位置控制、需要精確操作各項指令動作的靈活控制性場合步進(jìn)電動機用得最多。隨著細(xì)分恒流驅(qū)動的提出，細(xì)分恒流驅(qū)動極大改善步進(jìn)電動機運行的平穩(wěn)性，提高勻速性，減輕甚至消除震蕩。根據(jù)步進(jìn)電動機控制系統(tǒng)的這些特點，本文介紹了采用西門子PLC一300和運動模塊FM353控制步進(jìn)電動機運動，模擬人使用醫(yī)療設(shè)備的過程，完成設(shè)備的機械和電氣使用壽命的老化實驗。

　　下面主要介紹采用西門子CPU314和數(shù)字量模塊SM323，運動模塊FM353以及四通的步進(jìn)驅(qū)動器SH一20403來控制步進(jìn)電動機運動系統(tǒng)電氣部分的硬件、軟件設(shè)計思路和過程等。

　　2 步進(jìn)電動機控制系統(tǒng)

　　其電路系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

　　2．1 人機界面采用西門子TP170A觸摸屏，可以控制3臺步進(jìn)電動機的啟動和停止，手動運行和自動運行以及系統(tǒng)信息的顯示等。

　　2．2 PLC采用西門子CPU314，適用于中等程序處理量的應(yīng)用。輸入輸出模塊采用西門子的數(shù)字量模塊SM323。有8個數(shù)字量輸入和8個數(shù)字量輸出，用來控制剎車和檢測運動是否到達(dá)限制位置。

　　2．3 運動控制模塊采用西門子的FM353定位模塊。它是步進(jìn)電動機的定位模塊，可以用于點到點定位任務(wù)以及復(fù)雜的運動模式。通過對它的設(shè)定，發(fā)出指令脈沖給步進(jìn)電動機驅(qū)動器。

　　2．4 步進(jìn)電動機驅(qū)動器采用四通的SH一20403驅(qū)動器。這是個細(xì)分恒流的驅(qū)動器，輸入信號光電隔離，具有脫機保持功能，提供節(jié)能的自動半電流鎖定功能，還具有錯相保護(hù)功能。

　　3 FM353模塊的使用方法和結(jié)構(gòu)程序編制

　　3．1 FM353的硬件／軟件接口

　　FM353硬件接口提供最大200 K 的脈沖輸出，方向控制信號等，用于和步進(jìn)驅(qū)動器連接，另外提供可編程4DI／4DO，一般用于參考點接近，使能，限位等信號的連接。軟件編程接口提供4個專用功能塊，POS—INIT（模塊初始化），POS—CTRL（模塊控制），POS—DIAG（模塊診斷），POS—MSRM（測量數(shù)據(jù)的讀取如當(dāng)前位置值）和一個用戶數(shù)據(jù)類型接口UDT（程序中需要根據(jù)UDT創(chuàng)建背景數(shù)據(jù)塊）。FM353具有7種工作模式：JOG（手動模式）；OPEN — LOOP CTRL（開環(huán)控制模式）；REFPOINT APPROACH（參考點逼近模式）；INCRE—MENT RELATIVE（相對增量定位模式）；MDI（手動數(shù)據(jù)輸入模式）；
AUTOMATIC（自動NC程序執(zhí)行模式）；AUTOMATIC SIGNAL BLOCK（自動NC程序塊模式）。

　　FM353具有獨立的MPI地址，本質(zhì)上CPU 對FM353的控制就是CPU 和FM353之間數(shù)據(jù)交換的過程，POSCTRL承擔(dān)了這樣的工作。從UDT的接口而言，重要的是需要了解Ctrl&CheckBacksignal（控制和回饋信號）以及工作請求信號（讀寫請求）在UDT 中的位置和各種信號的含義，該信號在UDT結(jié)構(gòu)中以首地址偏移14—27字節(jié)的位置。控制信號中定義了FM353的模式和模式參數(shù)（例如給偏移16字節(jié)的地址賦值可以改變FM353的上述的工作模式），各種模式下的啟動條件（例如JOG模式的正反信號，啟動停止等）；回饋信號定義了FM353在各種模式下給出的狀態(tài)信號，用戶可以通過判別各種信號來得知當(dāng)前FM353的工作狀態(tài)。對于西門子FM 模塊而言，工作請求號和工作請求參數(shù)是一個通用的概念，工作請求命令和功能塊POS—CTRL配合，實現(xiàn)CPU 和FM 模塊之間的數(shù)據(jù)交換。FM353也不例外。UDT 中也定義了各種工作請求的信號（．DBX38．0. ．DBX39．7）和工作請求的準(zhǔn)備好信號（．DBX44．0. ．DBX53．7）和錯誤信號（．DBX54．0. ．DBX63．7），需要注意的是，這3種信號必須遵循一定的時序關(guān)系，必須在準(zhǔn)備好的條件下發(fā)出工作請求，然后復(fù)位準(zhǔn)備好和錯誤信號，并且需要請求信號本身，否則，請求不被接受而導(dǎo)致程序出現(xiàn)問題（程序參閱FC101）。

　　3．2 FM353的參數(shù)化和手動測試

　　（需要安裝FM353參數(shù)化工具包）FM353的參數(shù)化工具包提供了相當(dāng)友好的參數(shù)化和測試界面。在硬件組態(tài)中雙擊“FM353STEPPER 一”，彈出FM353的參數(shù)化對話框。對于用戶而言，MD（機器數(shù)據(jù)）數(shù)據(jù)是FM353和步進(jìn)驅(qū)動器和機械數(shù)據(jù)的接口，實際上MD也是存儲于依據(jù)UDT 創(chuàng)建的背景DB內(nèi)，每個MD在FM353內(nèi)有一個地址，用戶可以在參數(shù)化界面參數(shù)化MD數(shù)據(jù)，也可以在程序中讀寫MD 數(shù)據(jù)。在界面中的“MD“按鈕按下時會彈出MD配置界面，MD11／12定義電動機每轉(zhuǎn)一圈進(jìn)給的行程，MDI3定義電動機每轉(zhuǎn)一圈需要發(fā)送的脈沖數(shù)，MD41是最高頻率限制。這些參數(shù)需要依據(jù)步進(jìn)系統(tǒng)和機械結(jié)構(gòu)的配合進(jìn)行設(shè)定。切換到Refereance Point標(biāo)簽頁，可以設(shè)置回參考點的逼近方向（MD18）和速度（MD28）／N：速（MD29）。參數(shù)化完成之后，產(chǎn)生系統(tǒng)數(shù)據(jù)塊（SDB 大于等于1 000）。前提條件：在線連接模板FM353。在模板FM353的參數(shù)配置界面中，鼠標(biāo)點擊File>CreateSDB，生成FM353模塊系統(tǒng)數(shù)據(jù)塊SDBl010。然后裝載系統(tǒng)數(shù)據(jù)塊SDB1000，從PC到FM353模塊的RAM 區(qū)。將MD數(shù)據(jù)傳輸?shù)紽M（Transfer data toFM）后，就可以在提綱界面上進(jìn)入連線手動測試（點擊“STARTUP”）。需要注意的是，連線手動測試必須在CPU STOP的模式下進(jìn)行。

　　3．3 FM353的編程，讀寫工作請求的意義

　　JOG，REF，SM 增量模式（也可用MDI模式）是完成一個定位任務(wù)必須的過程。特別需要注意的是，SM，MDI，AUTOMATIC等模式除了啟動條件必須滿足外，還需要有事先找到參考點（在REF模式下完成），手冊中稱之為軸的同步化，換句話說，要想做進(jìn)入任一種定位模式，必須先做參考點逼近的動作。否則，F(xiàn)M 進(jìn)入SF的錯誤狀態(tài)，需要發(fā)出重新啟動FM 的命令。（參閱手冊9—15／16）讀寫工作請求用來傳送位置，速度等數(shù)據(jù)給FM，所以每改變這些相關(guān)的數(shù)據(jù)時，必須根據(jù)數(shù)據(jù)的類型（例如改變位置數(shù)據(jù)或速度數(shù)據(jù)）發(fā)布一次相關(guān)的工作請求。否則數(shù)據(jù)不會寫入FM。在這項工作中，尤其需要注意的是，要注意復(fù)位工作請求位，否則工作請求不被接受，導(dǎo)致數(shù)據(jù)傳輸不成功。

　　4 PLC程序編制

　　首先需要拷貝、粘貼庫文件“FMSTSV—L”中的程序塊FC0、FC1、FC2、FC3、UDT1到已經(jīng)建立的S7—300站項目的程序塊Block下。我編寫的程序由主程序OB1、冷啟動程序OB100以及程序塊FC4、FC5、FC6、FC1l、FC12、FC13、FC21、FC22、FC23、FC31、FC32、FC33、FC100等。

　　FC0是初始化控制信息、反饋信息、準(zhǔn)備和錯誤信息等的功能塊。

　　FC1是執(zhí)行讀操作、寫操作以及各種控制模板、反饋模板的狀態(tài)信息的功能塊。

　　FC2是在一些FM353致命錯誤造成的診斷中斷組織塊OB82調(diào)用FC2可以得到關(guān)于FM353模板的診斷信息。

　　FC3是用于長度測量。

　　UDT1包含了所有相關(guān)FM353操作命令和狀態(tài)返回信息等等，使用UDT1生成數(shù)據(jù)塊DB100，并定義工藝需要的數(shù)據(jù)。程序的流程圖見圖2所示。

　　5 結(jié)束語

　　本系統(tǒng)已經(jīng)成功完成了醫(yī)療設(shè)備的老化實驗，實驗過程中系統(tǒng)運行穩(wěn)定可靠。應(yīng)用中關(guān)鍵是模塊FM353的使用問題，F(xiàn)M353模塊的數(shù)據(jù)交換是要依靠讀寫工作號完成的，但在請求號的時序安排上經(jīng)過多次修改測試才完成。

　　參考文獻(xiàn)

　　1 西門子（中國）有限公司．STEP7 V5．3[x]．西門子，2004．

　　2 四通電機．混合式步進(jìn)電機及其驅(qū)動器[x]．四通公司，2005．