基于FX2N—20GM和FX3U的三軸伺服控制系統設計

摘要：伺服電機是運動控制系統中常用的驅動元件。本文介紹利用FX2N-20GM和FX3U對三軸運動平臺控制的原理、方法，其中FX2N-20GM控制平臺XY軸電機，FX3U控制Z軸電機。測試結果表明，控制系統運行穩定、定位精度高，具有廣泛通用性。

關鍵詞：FX2N-20GM FX3U 三軸伺服控制 運動平臺

0 引言

三軸運動平臺因其具有高度的通用性、適用性在工業領域有廣泛的應用，為工業生產率及其自動化水平的提高做出重要貢獻。伺服電機因其精度高、轉速快、適應性強、穩定性高等特點在控制領域得到廣泛應用。本平臺三軸方向上的運動采用伺服電機驅動，控制器是利用三菱FX3U控制器和FX2N-20GM定位模塊。其中FX2N-20GM定位模塊控制平臺XY軸，FX3U控制Z軸同時作為定位模塊的上位機和系統的主控單元。威綸觸摸屏（TK6070I）對系統實時監控，完成系統參數的修改和平臺運行狀況的監控。

1 FX2N-20GM定位模塊和FX3U控制器簡介

為了滿足運動平臺高速、高精度的定位要求，本系統采用FX2N-20GM 定位模塊用于驅動XY軸方向的伺服電機。FX2N-20GM 定位單元具有如下特性：①FX2N-20GM可同時控制2根軸進行，可進行直線插補和圓弧插補；②FX2N-20GM可脫離PLC而單獨運行；③可以輸出最高200kHz的脈沖串，插補時為100kHz；④FX2N-20GM具有絕對位置檢測功能和手動脈沖發生器的連接功能；⑤可用流程圖形式的編程軟件（FX-VPS-E），開發可視化的程序。

FX3U系列PLC是三菱公司第三代微型可編程控制器，內置高達64K大容量的RAM存儲器，內置業界高速處理0.065μS/基本指令，獨立3軸100kHz定位功能（晶體管輸出型）。本系統采用PLC型號為FX3U-48MT/ES-A（內置24入/24出，晶體管漏型），用于控制運動平臺Z軸方向伺服電機。

2 三軸伺服控制系統的硬件設計

FX2N-20GM脈沖發生單元，通過給X軸，Y軸伺服電機驅動器發脈沖，控制兩臺伺服電機，可實現兩軸（XY軸）精確定位。三菱FX3U-48MT高速脈沖輸出端口Y2向Z軸伺服電機驅動器發脈沖，實現Z軸精確定位。系統選用FX2N-48MT作為主控單元，利用連接電纜FX2N-GM-5EC實現FX3U與20GM之間的數據交換。威綸觸摸屏（TK6070I）與FX3U-48MT通訊連接，用于系統參數設定和運行情況監控。

根據運動平臺絲杠螺距、伺服電機額定轉速、系統速度限制等外部條件，設定FX2N-20GM相關參數，包括定位參數I/O參數和系統參數。系統的軟件設計包括PLC控制程序和20GM的定位程序編寫兩部分，其中20GM程序編寫主要針對XY軸伺服電機控制，PLC程序編制主要完成Z軸伺服電機的控制。利用PLC的FROM指令可以把20GM的#BFM中存儲的內容讀到PLC中，利用TO指令可以把PLC的寄存器中內容寫#BFM中。20GM的各種參數也和特殊功能寄存器相對應兩個單元連接后，通過對#BFM的讀寫可以設定諸如位移操作速度之類的定位數據，也可以設定定位單元的參數，還可以監控當前位置。20GM提供了豐富的指令方便用戶對電機的控制，定位程序由cod定位指令和順序指令m碼組成。cod指令實現定位操作，如cod02代表順時針圓弧插補定位，順序指令用來邏輯運算和程序控制，如AND代表串聯連接CJ代表條件轉移等，m碼用來驅動各種協助定位操作的輔助設備。

4 結束語

根據實際要求，可在Z軸固定不同機構，通過PLC和20GM的混合編程可實現復雜的運行動作。經過現場測試，系統運行穩定、定位精度高，具有廣泛通用性。

參考文獻：

[1]巫莉.電氣控制與PLC應用[M].北京：中國電力出版社，2008.

[2]王月芹.基于PLC機械手控制系統設計與實現[J].機電產品開發與創新，2011.05.

[3]薛永風等.基于FX2N-20GM的雙軸步進控制系統設計[J].組合機床與自動化加工技術，2011.09.

[4]三菱FX2N-10GM-20GM編程手冊.

基金項目：*江蘇省常州市科技支撐計劃項目（CE20120088）。

作者簡介：岳東海（1974-），高級工程師，研究方向：機電控制技術。