該系統(tǒng)為某主機電控系統(tǒng)，完成對光束的準直過程中的參數診斷、數據采集、閉環(huán)控制等實時控制功能以及與主控系統(tǒng)的通信功能。步進電機以性價比高，實時效果好，不需要昂貴的反饋系統(tǒng)著稱，該系統(tǒng)中采用了一千多個步進電機來實現對光束的準直。神光原型采用控制卡控制大量步進電機，控制卡控制步進電機沒有負載位置的反饋信號，實時效果差，故障定位非常困難；試驗中采用西門子PLC(Programmable Logic Controller，可編程邏輯控制器)控制這些電機可靠性好，但控制少量步進電機時比較簡單，控制大量步進電機時時序復雜，接線復雜，成本高，調試困難。最終方案采用德國Beckhoff公司的自動化產品，如嵌入式控制器，現場總線端子、步進電機總線端子等設備控制電機，該方案具有成本較低、操作簡便、占用空間小等優(yōu)點，也提高了系統(tǒng)的性能和可靠性，現已通過試驗和評審進入調試階段。

1 步進電機運動控制系統(tǒng)總體設計思想

電控系統(tǒng)的總體設計思想為：控制系統(tǒng)設計應分別滿足現場獨立控制與遠程集中控制，各子系統(tǒng)具備對系統(tǒng)各類設備的狀態(tài)進行實時監(jiān)測的功能，包括故障定位檢測和報警；具備對系統(tǒng)各設備進行參數設置、參數采集、存儲、處理等功能。主控計算機位于主控制室內，通過1 000 Mb／s光纖網絡與分控計算機通信，分控計算機通過光纖交換機與控制設備采用工業(yè)以太網通信，其網絡拓撲圖如圖1所示。

2 步進電機運動控制系統(tǒng)設計方案

2.1 倍福步進電機總體控制架構設計

采用基于嵌入式PC的模塊化運動控制器，型號為CX1020，運動控制器本身集成雙Ethernet接口，其中一個向上連接到現場工業(yè)以太網，接受運動控制的調用指令，另一個可以作為本地調試的網絡接口。運動控制器、運動控制網絡接口部件、步進電機驅動器通過硬實時的超高速以太網EtherCAT(Ethernet for Controland Automation Technology)構成運動控制網絡系統(tǒng)，采用EtherCAT取代以往的現場總線傳輸技術，可以顯著減少控制系統(tǒng)CPU的負荷，而且無需任何智能主站卡，適合集中式與分布式控制體系。

末端端子與底層EtherCAT總線耦合器端子BK1120相連，在本機架內總線耦合器通過K-Bus總線接口連接電機驅動總線端子KL2531和KL2541，步進電機直接連接在這兩個端子上，如果使用KL2541端子，還需要在機架上安設數字輸入端子KL1002，用于接人步進電機限位信號，最后在機架末端安放BK9010總線終端端子。

每級機架上總線耦合器BK1120的另一網絡端口向下依次級聯另一機架上的總線耦合器，最后從控制器到各級機架網絡節(jié)點形成一個總線型的控制網絡拓撲結構。KL2531和KL2541是步進電機總線端子，提供一路20 kHz的脈沖，可以各帶一個步進電機。步進電機總體控制架構如圖2所示。

具體的控制器和通訊模塊等數量配置見表1。

2.2 硬件組成

電機控制系統(tǒng)主要由控制服務器、運動控制器、電源模塊、Ethernet交換數據的通訊模塊和總線端子等組成。

2.3 重要器件概述

運動控制器采用基于嵌入式PC的模塊化運動控制器，型號為CX1020，處理器為Intel Celeron MULV1 GHz，內存為256 MB／512 MB／1 024 MB，操作系統(tǒng)為Microsoft Windows XP Embedded或MicrosoftWindows CE。該運動控制器應用于中等規(guī)模的控制系統(tǒng)中，自帶兩個工業(yè)以太網EtherCAT接口，其中一個向上連接到現場工業(yè)以太網，接受運動控制的調用指令，另一個可以作為本地調試的網絡接口。軟件開發(fā)平臺TwinCAT PLC(The Windows Control and Automation Technology PLC)使用符合采用IEC61131-3的編程語言編程，運動控制功能庫符合PLCopen標準，具有通用的、開放式軟件接口。

EtherCAT是與PC控制技術相匹配的通訊系統(tǒng)，以Beckhoff開發(fā)的實時工業(yè)以太網解決方案，其特點是性能優(yōu)越、操作簡便。該技術采用標準的以太網幀，支持因特網技術。以太網可以直接到達端子，以太網過程接口可以從2位擴展到64個字節(jié)；350μs處理12 000個數字量I／O；100μs處理100個電機軸等。EtherCAT適合于多種網絡拓撲結構，可用于設備控制、機器人、嵌入式系統(tǒng)、樓宇自動化、運輸系統(tǒng)等。

步進電機歷史悠久，爆發(fā)力好，便于控制并且扭矩大，在控制領域內占有相當重要的地位。步進電機是一種將電脈沖轉化為角位移的執(zhí)行機構。當步進驅動器接收到一個脈沖信號，它就驅動步進電機按設定的方向轉動一個固定的角度(稱為“步距角”)。它的旋轉是以固定的角度一步一步運行的。可以通過控制脈沖個數來控制角位移量，從而達到準確定位的目的。同時可以通過控制脈沖頻率來控制電機轉動的速度和加速度，從而達到調速的目的。我們采用北京四通的兩相混合式步進電機，型號為28BYG250C，步距角為0.9／1.8，靜態(tài)相電流0～7 A，保持轉矩0.065 N／m，定位轉矩0.005 N／m，轉動慣量12 gcm2。

KL2531和KL2541是集成的步進電機控制器，是Beckhoff產品中用于傳統(tǒng)驅動器高性價比的產品。KL2531和KL2541均可以提供和小型伺服驅動器相近似的性能，提供了最大64個最大中間步，并提供一路20 kHz的脈沖，一路脈沖驅動一臺步進電機。KL2531總線端子用于較低性能場合，該端子是為簡單的整合到24 V直流電壓控制系統(tǒng)而設計的，每相尖峰電流1.5 A。KL2541可以提供高達5 A的最大電流，能夠驅動扭矩高達5 Nm的步進電機。端子的輸出階段，有以溫度過高警報并且關斷的形式的過載保護，同時還有短路保護功能，診斷數據可以通過控制器的過程映像區(qū)來取得，自帶兩路高速輸入通道，快速準確記錄當前位置，或實現急停功能。輸出脈沖可以通過“EnableBit”啟動，電機的電流可以通過參數值來進行設定。對電機的配置可以通過軟件來完成，這樣總線端子能容易的進行更換，而且參數可以存儲或者被轉移到下一個工程，無需通過電位器或者指撥開關來設定。

3 軟件配置

Beckhoff公司基于PC平臺的實時核技術可以將安裝了Microsoft公司WindowsNT／2000／XP／CE.NET／XP嵌入式操作系統(tǒng)的普通PC和Beckhoff公司的嵌入式控制系統(tǒng)CX1000改造為具有實時能力的PC控制器。Beckhoff公司基于PC平臺的實時核技術通過與3S公司提供的TwinCAT編程環(huán)境相結合，以及系統(tǒng)管理器對Beckhoff公司各種I／O設備的驅動程序相結合，使TwinCAT CP、I／O、PLC、PTP和NCI構成了一套完整的基于PC平臺的實時控制器解決方案。

TwinCAT軟件具備四套獨立運行的PLC實時核，每套PLC都可分配4個任務，并且可以將最小任務周期時間設置為50μs(取決于所使用的CPU處理能力)。TwinCAT PLC控制是用于PLC的完整開發(fā)環(huán)境，所使用的編輯器和調試功能建立在高級編程語言開發(fā)環(huán)境基礎之上，在TwinCAT PLC中可以使用IEC61131-3的五種不同語言創(chuàng)建PLC程序。TwinCAT實時任務運行的載荷率(TwinCAT實時任務運行時間與操作系統(tǒng)運行時間的比率)可調范圍為10％～90％。并在此基礎上，將伺服控制中的PTP、NCI和HMI技術拓展到系統(tǒng)管理器和TwinCAT編程環(huán)境中。

4 結 語

該設計方案已經通過實驗階段進入正式調試階段，在該過程中，可以發(fā)現倍福產品有很多優(yōu)點，占用的空間小?，F場總線端子的主要特點是性價比高，質量可靠，結構緊湊，堅固耐用，而且安裝和接線非常方便。EtherCAT技術具有高度的通用性，基于EtherCAT的系統(tǒng)可以大大縮短研發(fā)速度。