基于FX2N-20GM的双轴步进控制系统设计

基于F X2N-20G M的双轴步进控制系统设计

薛永风，朱学军，方贇

（宁夏大学机械工程学院宁夏银川 750021）

摘要：步进电机是一种离散运动的装置，在数字控制系统中有着广泛的应用。在系统介绍FX2N-20GM运动控制模块接口功能的基础上，结合FX2N PLC与CR-3A16步进电机驱动器，从硬件电路和运动控制程序开发两个方面详细论述了双轴步进控制系统的设计方法。仿真与实验结果说明该方法是一种遵循模块化设计理念、通用性较强的双轴控制解决方案。

关键词：双轴步进控制；FX2N-20GM；PLC；模块化设计

中图分类号：TP273 文献标识码：A文章编号：

Design of Dual-Axis Stepper Control System with FX2N - 20GM

XUE Yongfeng ZHU Xuejun FANG Yun

(College of Mechanical Engineering, Ningxia University, Yinchuan 750021, China) Abstract：Stepper motor is a kind of discrete motion device. In now days, it has been widely used in digital control system. From hardware circuit and motion control programming, this paper described a design method in detail for the dual-axis stepper control system with FX2N-20GM, FX2N PLC and a stepper motor driver named CR-3A16, when the interface functions of FX2N-20GM module has been introduced. Simulation and experimental results show that the method is a universal solution for dual-axis control system, and is to follow the modular design concept.

Key words：Dual-axis stepper control; FX2N-20GM; PLC; Modular design

1 引言

步进电机是一种将电脉冲信号变换成相应角位移或直线位移的机电执行元件[1]，在数字控制系统中有着广泛的应用，诸如包装、印刷、雕刻、机器人、数控机床等自动化设备和生产线之中。

一般而言，在精度要求不是很高的情况下，步进电机控制系统多采用开环控制方式。如果用旋转编码器做成速度或位置反馈环路，结合PLC的高速脉冲计数功能就可实现步进电机的闭环控制[2]。两轴联动与插补算法的结合则能完成高精度的运动轨迹控制[3]。运动控制器可以选择单片机或专用运动控制单元；执行机构可以是滚珠丝杆、高精度齿轮或同步齿形带等传动精度较高的机械装置。随着微电子技术、电机驱动技术和面向对象编程技术的发展，软件定义下的模块化测控技术已成为工业自动化的主流趋势之一[4]，帮助用户提高设计、生产效率的同时，可以有效降低控制系统的成本。

本文拟在三菱FX2N-20GM[5]定位单元、PLC、CR-3A16步进电机驱动器的支持下，以模块化软件编程的方法设计一种通用性较强的双轴步进控制系统，并通过轨迹仿真和实验予以验证。

2 FX2N-20GM定位单元简介

三菱FX2N-20GM（简称20GM）是一种小型智能化定位单元，其完备的功能完全可以与大中型PLC定位模块媲美。拥有完善的扩展接口（如图1所示），允许用户使用步进电机或伺服电机，并通过驱动单元来实现双轴的定位控制。

20GM采用FX-VPS-E专用软件编制控制程序。流程图窗口由可视化的各种彩色符号块组成，用“有向连线”连接，具有形象、

作者简介：薛永风（1982-），男，祖籍河北，硕士研究生，（E-mail）ningxiafeng@https://www.wendangku.net/doc/f41350659.html,。

通讯作者：朱学军（1970-），男，祖籍浙江，教授，硕士生导师，（E-mail）zhuxuejunnxu@https://www.wendangku.net/doc/f41350659.html,。

1 编程工具连接器

2 Y轴电机连接器CON4

3 X轴电机连接器：CON3

4 输入设备连接器：CON2

5 存储板连接器

6 PLC扩展模块连接器

图1 FX2N-20GM的扩展接口

Fig.1 External Interfaces of FX2N-20GM

直观、简洁、易用的特点。双击对应的指令符号块即出现“参数设置”的形象化对话框，可以方便地进行操作。

以步进定位控制为例，直线插补的流程与参数设置如图2所示；圆弧插补的流程与参数设置如图3所示。

(a) 直线插补的控制流程

(b) 直线插补时的速度参数设置

图2 直线插补控制流程与参数设置

Fig.2 Linear interpolation control process

and parameter setting

(a) 圆弧插补的控制流程

(b) 限位开关、步进方向、爬行速度等参数设置

图2 圆弧插补控制流程与参数设置

Fig.2 Circular interpolation control process

and parameter setting

3 双轴步进控制系统的硬件设计

系统选用FX2N-48MT作为主控单元，专用连接电缆FX2N-GM-5EC实现PLC与20GM 之间的数据交换；步进电机驱动器选用高性能多细分的CR-3A16型，其端子的功能定义如表3所示。

表1 CR-3A16的端子功能定义

Lable1 Defination of CR-3A16 teminal functions

由于步进电机正转/反转运动的需要，

因此定位单元的输出脉冲形式有“脉冲+方向”和“正脉冲+负脉冲”两种，可通过20GM 的参数设定来选择。系统采用滚珠丝杆作为执行机构终端，由定位单元发出脉冲指令，通过驱动器控制步进电机，脉冲当量=丝杆螺距/{360°/(步距角×细分系数）}。

系统的电气原理如图3所示。

图3 双轴步进控制系统电气原理图

Fig.3 Electrical schematic diagram of dual-axis stepper control system

在PLC的输入端，设计了用户常用的操作按钮，在此基础上可以添加所需的输入点，如复位、回原点等等；在输出端连接了定位单元CON2口的相关端子。20GM的CON3、CON4分别对应连接X轴和Y轴的驱动器。此种连线方式下，由于PG0端子接5V 电源，故需要把ST短接；同时把参数21设为“0”，参数22设为“1”。需要指出的是，该电气原理图忽略了各模块的电源端口接线。

4 运动控制程序设计

对20GM的操作首先要设置参数来决定其运行条件，包括定位参数、I/O控制参数、系统参数等。因此，系统的软件设计包括PLC控制程序和20GM的定位程序编写两部分，对步进电机的控制需要两个设备运动控制程序的配合。

利用PLC的FROM指令可以把20GM的BFM中存储的内容读到PLC中，利用TO指令可以把PLC的内容写到BFM中。定位单元的操作指令如开始、停止、机械回零等CON2的输入指令，都和特殊辅助继电器相对应；此外，20GM的各种参数也和特殊功能寄存器相对应。两个单元连接后，通过对BFM 的读写可以设定诸如位移、操作速度之类的定位数据，也可以设定定位单元的参数，还可以监控当前位置。

20GM提供了丰富的指令方便用户对电机的控制。定位程序由cod定位指令、顺序指令、m码组成。cod指令实现定位操作，如cod02代表顺时针圆弧插补定位。顺序指令用来逻辑运算和程序控制，如AND代表串联连接、CJ代表条件转移等。m码用来驱动各种协助定位操作的辅助设备。

以封闭半圆弧运动轨迹的实现为例，将20GM直线插补、圆弧插补算法集成为一体，其控制流程与速度参数设定如图4所示。

(a) 控制流程

(b) 速度参数设置

图4 封闭半圆弧运动轨迹的控制程序

Fig.4 Control program of the closed semi-circular

trajectory

其中，寄存器DD100存储圆弧X轴方向的终点坐标值，DD102中存储圆弧Y轴方向的终点坐标值，DD104中存储圆弧的半径值，DD106中存储运行的速度值；寄存器DD108存储直线X轴方向的终点坐标值，DD110存储直线Y轴方向的终点坐标值。这些值的写入通过PLC的TO指令来实现，如图5所示。

图5 PLC的参数写入程序

Fig.5 PLC program for writing parameters 5 仿真实验与结论

双轴步进控制的仿真结果如图6所示。可以看到运动轨迹为一个封闭的半圆弧。

图6 仿真结果

Fig.6 Result of the simulation

因此，通过PLC程序给定位单元的寄存器赋值，20GM会连续输出不同的脉冲指令输入至CR-3A16，进而驱动步进电机按一定的规律运转。借助于三坐标工作台，实验验证了该方法的有效性。

综合而言，定位单元FX2N-20GM具有很强的运动控制能力，连线简单明了，定位程序易开发。结合PLC技术，能够有效整合外部设备，提高控制系统的集成度。而采用模块化方法进行运动控制软件设计，有利于用户按照需求进行扩展开发。

参考文献

[1]殷华文，于兆和，马志刚. PLC对步进电机的控

制技术[J].组合机床与自动化加工技术，2003（8）:65-67

[2]漆海霞，张铁民，魏德仙等.基于PLC间通信

的步进电机远程闭环控制[J].微计算机信息，2008，Vol.24（2）：49-50

[3游达章，苏旭武，高贵兵等.两轴联动的数字积分插补算法的实现[J].装备制造技术，2008（1）:41-43

[4]龚立雄，程双胜，杨明忠等.基于虚拟仪器的

小型柴油发电机组测控系统研究[J].船电技术，2010，Vol.30（2）：50-54

[5]三菱电机.FX2N-10GM和FX2N-20GM硬件/编程手

册.日本,三菱公司,2002

作者简介：

薛永风（1982-），祖籍河北，宁夏大学机械工程学院机械制造及其自动化专业硕士研究生，主要的学习和研究方向为机电系统智能控制。

联系电话：138********；E-mail:ningxiafeng@https://www.wendangku.net/doc/f41350659.html,

朱学军（1970-），祖籍浙江，宁夏大学机械工程学院教授，硕士研究生导师;主要的教学与研究方向为机电系统智能控制，长期从事PLC控制系统设计、农业机械自动化以及工业机器人最优能量控制等方面的研究工作。

联系电话：0951-*******，130********；E-mail:zhuxuejunnxu@https://www.wendangku.net/doc/f41350659.html,

方赟（1985-），祖籍湖南，宁夏大学机械工程学院机械制造及其自动化专业硕士研究生，主要的学习和研究方向为机电系统智能控。

联系电话：138********；E-mail:fangyundream@https://www.wendangku.net/doc/f41350659.html,

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邮编：750021