基于MCGS 和TC45的步進電機控制網(wǎng)絡(luò)設(shè)計

劉曉峰　劉峰　程為彬

摘要：基于MCGS組態(tài)軟件與TC45運動控制器，提出一種多步進電機的控制網(wǎng)絡(luò)組成方法，介紹控制網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計方案，以實現(xiàn)同時對多個步進電機的轉(zhuǎn)速控制、行程控制以及啟停控制。實際測試結(jié)果表明該控制網(wǎng)絡(luò)開放性、通用性和擴展性較好，可應(yīng)用于相關(guān)工程技術(shù)領(lǐng)域。

關(guān)鍵詞：組態(tài)軟件；控制器；步進電機；控制網(wǎng)絡(luò)

中圖分類號：TP311 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1009-3044（2017）02-0230-02

Design of Stepper Motor Control Network Based on MCGS and TC45

LIU Xiao-feng，LIU Feng，CHENG Wei-bin

（Xi'an Shiyou University， Xian 710065， China）

Abstract： A control network composition method based on MCGS configuration software and TC45 motion controller for multiple stepper motors is presented， and the software and hardware design scheme of control network system are introduced in this paper. The speed control， stroke control and start stop control of multiple stepper motors are realized in this design. The test results show that the control network has good openness， versatility and scalability， and the design can be applied in some related engineering fields.

Key words： configuration software， controller， stepper motor， control network

步進電機是工業(yè)自動控制領(lǐng)域重要組成部分，網(wǎng)絡(luò)化是步進電機運動控制系統(tǒng)的發(fā)展方向之一。目前步進電機的控制網(wǎng)絡(luò)技術(shù)包括基于ARM嵌入式控制、基于CANopen/EtherCAT的網(wǎng)絡(luò)化運動控制以及基于Modbus/485總線控制等?；贏RM嵌入式控制系統(tǒng)采用細分控制方法，能實現(xiàn)步進電機在外圍環(huán)境中準(zhǔn)確、低噪聲、平滑和高精度運行，但其開發(fā)難度高，硬件電路復(fù)雜。基于CANopen/EtherCAT的網(wǎng)絡(luò)化運動控制系統(tǒng)設(shè)計復(fù)雜，成本較高，但帶負載能力強，網(wǎng)絡(luò)性能優(yōu)越?；贛odbus/485總線的網(wǎng)絡(luò)化運動控制系統(tǒng)成本低，通信穩(wěn)定，但帶負載能力有限，網(wǎng)絡(luò)性能較差[1-3]。

為在一定程度上改善控制網(wǎng)絡(luò)的復(fù)雜性以及擴展性差等問題，設(shè)計了基于MCGS和TC45的步進電機控制網(wǎng)絡(luò)。

1系統(tǒng)總體設(shè)計

系統(tǒng)總體構(gòu)架如圖1所示。步進電機控制網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)由MCGS組態(tài)軟件、TC45運動控制器、帶Modbus協(xié)議的步進驅(qū)動器以及步進電機構(gòu)成。系統(tǒng)通過上位機發(fā)送的步進電機增量、速度、啟停等命令信息給TC45運動控制器，運動控制器將數(shù)據(jù)處理后傳送至帶協(xié)議的步進電機驅(qū)動器，步進電機驅(qū)動器將運動控制器傳來的信號轉(zhuǎn)換成模擬脈沖信號驅(qū)動步進電機；同時各電機的當(dāng)前速度、增量等數(shù)據(jù)信息經(jīng)過運動控制器轉(zhuǎn)換傳給上位機監(jiān)控軟件，并在監(jiān)控界面實時顯示。

上位機與控制器之間采用RS485傳輸方式的Modbus通信協(xié)議，通過此協(xié)議，控制器相互之間、控制器經(jīng)由網(wǎng)絡(luò)和其他設(shè)備之間實現(xiàn)互相通信[4]，上位機監(jiān)控系統(tǒng)便可以與多個運動控制器組成一個控制網(wǎng)絡(luò)，從而實現(xiàn)對多臺步進電機的控制。

2 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計

TC45運動控制器模塊接口采用 Modbus 協(xié)議。各驅(qū)動電機作為一個控制子站，均有確定的通訊地址，通過標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議與主控制器進行信息交換和執(zhí)行主控制器的指令。

TC45運動控制模塊與驅(qū)動器接口如圖2所示。TC45運動控制模塊可將上位機不同屬性的數(shù)據(jù)命令轉(zhuǎn)換成步進電機需要改變的屬性命令，其供電電壓為24V，其中運動控制器的端子485+與485-分別與RS485通訊線的正負連接，其中[XPUL]為步進電機脈沖控制端口，[XDIR]為步進電機轉(zhuǎn)向控制端口。

步進電機驅(qū)動模塊選用ST-6128步進電機驅(qū)動器。步進電機驅(qū)動器的端子DIR-與DIR+為步進電機轉(zhuǎn)向控制端口，與TC45的端子[XDIR]端口相連，端子A+、A-、B+、B-與步進電機的四線相連。步進電機驅(qū)動器供電電源范圍為9-32V直流，本設(shè)計采用24V直流電源。驅(qū)動器模塊與步進電機接口如圖3所示。

3 上位機監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計

上位機監(jiān)控系統(tǒng)采用MCGS組態(tài)軟件開發(fā)平臺構(gòu)建。上位機監(jiān)控系統(tǒng)與運動控制器的參數(shù)配置通過TC45運動控制軟件實現(xiàn)[5-6]，計算機串口設(shè)置為COM1，通訊速率為38400bps，通訊超時最大值為2000ms，運動控制器模塊通訊地址設(shè)為1。

組態(tài)軟件設(shè)備窗口控制設(shè)備屬性值的參數(shù)設(shè)置中，最小采集周期設(shè)為1000ms。其中設(shè)備地址與在TC45運控控制軟件配置的參數(shù)地址一致，通訊等待時間為200ms。設(shè)置完相應(yīng)的設(shè)備參數(shù)后，在組態(tài)軟件界面的用戶窗口建立新的窗口進行控制系統(tǒng)監(jiān)控界面的組態(tài)，并通過TC45通訊協(xié)議編寫相應(yīng)腳本程序。上位機設(shè)計界面如圖4所示。

4 實驗分析

為驗證對多臺步進電機控制的可行性，本次步進電機控制網(wǎng)絡(luò)實驗搭建了兩組運動控制器對四臺步進電機進行測試驗證，實驗在Windows 7環(huán)境下通過MCGS組態(tài)軟件完成了上位機監(jiān)控系統(tǒng)界面的開發(fā)。實驗前通過串口調(diào)試助手軟件驗證上位機監(jiān)控系統(tǒng)與運動控制器模塊通訊的正確性。

實驗測試結(jié)果實現(xiàn)了對A、B、C、D四臺步進電機運動速度大小的控制、AB步進電機與CD步進電機運動速度大小的同時控制，同時也實現(xiàn)了對步進電機的急?？刂?。基于ARM嵌入式步進電機的網(wǎng)絡(luò)化控制在軟硬件方面分別需要設(shè)計Linux設(shè)備驅(qū)動程序與PCB驅(qū)動板?；贑ANopen/EtherCAT的網(wǎng)絡(luò)化運動控制以及基于Modbus/485總線控制需要設(shè)計運動控制指令、通訊程序、以及加減速模塊等。與此相比，本文設(shè)計的步進電機控制網(wǎng)絡(luò)在硬件電路的復(fù)雜性與監(jiān)控系統(tǒng)的開發(fā)難度上得到一定程度改善，因此基于MCGS和TC45步進電機控制網(wǎng)絡(luò)在相關(guān)工程技術(shù)領(lǐng)域具有一定的現(xiàn)實意義。

5 結(jié)語

本文提出運用MCGS組態(tài)軟件和TC45運動控制器構(gòu)建的步進電機控制網(wǎng)絡(luò)，設(shè)計了控制網(wǎng)絡(luò)的硬件電路以及上位機監(jiān)控系統(tǒng)。實驗測試結(jié)果表明運用組態(tài)軟件與運動控制器通過RS485通信可實現(xiàn)點對多點的控制，同時該步進電機控制網(wǎng)絡(luò)設(shè)計在一定程度上減少了常規(guī)步進電機控制網(wǎng)絡(luò)設(shè)計的工作量與研發(fā)周期，這對相關(guān)技術(shù)領(lǐng)域具有一定的推廣和實用價值。

參考文獻：

[1] 王晨.基于步進電機的網(wǎng)絡(luò)化運動控制系統(tǒng)設(shè)計[D].哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2012.

[2] 魯衛(wèi)延.基于嵌入式的步進電機控制系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)[D].西安：西安工業(yè)大學(xué)，2015.

[3] 程楊，劉學(xué)平，占濤.一種基于MODBUS協(xié)議的工業(yè)控制系統(tǒng)設(shè)計[J].機械設(shè)計與制造，2011（1）：1-3.

[4] 楊世超，陶正蘇.基于ModbusRTU通信協(xié)議的伺服電機聯(lián)動控制系統(tǒng)[J].電子設(shè)計工程，2012，20（1）：91-97.

[5] 包建華.基于MCGS的步進電機控制系統(tǒng)設(shè)計[J].計算機測量與控制，2012，20（3）：702-704.

[6] 孫鳴，吳玨.基于TC45模塊的GPRS無線抄表系統(tǒng)[J].電子技術(shù)應(yīng)用，2005（6）：29-31.