运动控制单元：实现精准控制的核心设备

OMRON的运动控制单元称MC，型号也很多，有双轴的（如CS1W-MC221），也有4轴的（CS1W-MC421）。它处理的虽为脉冲量，但实际输出是模拟量。不能用步进电动机，只能用伺服电动机。因为后者自带有旋转编码器，可用脉冲的形式反馈角位移信号。其定位程序主要是用G语言编程，并要用专门的编程软件。它除了作直线插补外，还可作圆弧插补，空间螺旋线插补。可用于要求较高的运动控制。

1.基本原理

MC用的是半闭环控制。图5-96所示为它的原理。

图5-96 MC工作原理

MPG—手工脉冲生成器 MCU—系统控制用微处理器 FLASH-ROM1—存储系统程序 FLASH-ROM2—存储G语言程序系统参数位置数据 S-RAM—临时存储 E²PROM—出错记载

从图知，MC有微处理器、内存、处理电路、变换器及很多接口。可通过CS1总线与PLC连接，从而，可与PLC的CPU单元交换数据。自身的内存可存储G语言程序、系统参数及运行数据。自身的MCU可运行程序，管理系统。伺服处理电路，可处理普通开关量信号、脉冲信号。D/A变换器，可把数字转换为模拟信号，并可通过DRV接口加载给伺服电动机驱动器。

另外，还有MPG连接器。用它可连接手工脉冲生成器，以使系统可用手工生成的脉冲进行调试。还有示教盒连接器。用它可连接示教盒，以用示教盒对系统进行控制。

系统工作时，MCU可运行G语言编的程序或执行CPU来的命令，以实现控制。实现控制的方法是把输出，经D/A变换，输出给伺服驱动器。伺服驱动器驱动伺服电动机转动。伺服电动机转动后，与其同步转动的旋转编码器产生脉冲。此脉冲经DRV接口、伺服处理电路，反馈给MPU。直到所确定的输出与反馈脉冲对应相当时，D/A的输出为0，即完成一个运动位置的控制。图5-97所示为MC实现控制的简单过程。

图5-98示的为MC实现控制过程中信号处理关系。

从图知，当给出目标位置脉冲后。由于电动机未转动，无反馈脉冲，故误差计数器出现误差脉冲。经A/D转换，产生速度控制电压，进而使电动机转动。转动后的反馈脉冲将消除误差。误差没有，速度控制电压为0，电动机转动也停止。可知，给出目标脉冲数，必然会使伺服电动机转动，直到反馈的与给定的相等为止。

图5-97 MC实现控制过程

1—滚珠丝杆 2—工作台 3—伺服电动机 4—旋转编码器反馈脉冲 5—伺服驱动器 6—减速器

图5-98 MC控制过程信号处理关系

图5-99 目标脉冲数、误差脉冲数及电压间关系

但如果给出的目标脉冲加速增加，则误差计数器误差脉冲也将增加，进而速度控制电压、电动机转速将增大。如果目标脉冲等速给出，或减速给出，则误差计数器误差脉冲将不变，或减小，进而速度控制电压、电动机转速不变，或减小。图5-99所示为这些目标位置脉冲数、误差计数器脉冲数及速度控制电压间的关系。

2.系统配置

图5-100所示为系统可能的配置。

3.主要特点（指CS1的MC）

（1）使用多任务G语言编程，而不用梯形图编程，这既简化编程，又可减少CPU在执行梯形图程序的负担。

（2）一个定位命令输出后，下一个定位操作命令即可起动，而不必等待这个定位完成。因而可实现高速的顺序操作。

（3）支持绝对式编码器，也支持增量式编码器。

（4）响应CPU单元的指令的时间很短，双轴的在8ms，4轴的在12ms即可响应。

（5）反馈编码器脉冲频率最大可达500kp/s。

（6）当定位完成或通过一个特定区域，MC向CPU输出D码，可使CPU单元产生中断。所以，用此方法可使MC与CPU实现理想的同步。

（7）可与CXP同时使用MC的CX-Motion编程及监控软件。可追踪500项数据，为伺服系统调试提供方便。CX-Motion可存储程序与定位数据，一旦MC需要，可自动下载给MC。

（8）当部件运动时，可使用示教盒自动建立位置数据。

（9）可用手动脉冲发生器定位及同步操作。

4.主要操作

MC的主要可进行的操作有：

（1）点到点（Point To Point）操作。PTP控制，每个轴分别独立控制，只控制运动的速度及起点和终点位置。如从原点出发，都以相同速度50，X移动100，Y移动50，就是PTP。图5-101所示即为这个运动的情况。

图5-100 MC系统配置

1—示教盒 2—控制盒 3—输入单元 4—MC单元5—外设口 6—RS232口 7—PLC电源 8—CPU单元 9—伺服驱动器 10—伺服电动机 11—工作台 12—X轴原点开关 13—X轴顺时针方向极限行程开关 14—X轴逆时针方向极限行程开关 15—Y轴顺时针方向极限行程开关 16—Y轴原点行程开关 17—Y轴逆时针方向极限行程开关

（2）连续路径（Continuous Path，CP）操作。这种操作不仅控制运动的起点、终点，还要控制运动轨迹。为此，可进行直线插补、圆弧插补，如图5-102所示。

图5-101 PTP

图5-102 直线、圆弧插补

（3）纺线操作。图5-103所示为纺线控制。这里，纺线轴定速转动，而移动架等速左右直线运动。两者配合，可实现纺线功能。

（4）多圈螺旋线插补操作。图5-104所示即为此操作。用于对绕线机的控制。

图5-103 纺线控制

1—纺线轴 2—移动架

图5-104 多圈螺旋线插补

此外，还有原点查找、点动、错误计数复位、现位置预设等操作。

MC的操作模式有手动及自动两种。手工执行为手工模式，执行CPU单元指令或示教盒指令；自动执行为自动模式，执行预编的G语言程序。图5-105所示为这两种模式下操作示意。

图5-105 两种模式下操作

手工模式下的操作有：

点动，靠人工操作连续移动；处理进给，用MPG移动；减速停止，根据命令减速到停止；人工查找原点，绝对旋转编码器，增量旋转编码器均可查找；等11种操作。

自动模式下的操作有：线性插补定位，可在2、3及4轴间实现线性插补定位，进给率可指定；圆弧插补定位，可进行2轴顺时针或反时针插补，进给率也可指定；螺旋插补定位，可进行2轴顺时针或反时针及1轴线性插补（仅CS1W-MC421），进给率也可指定；纺线功能，可执行操作纺线操作；速度控制，可控制最大移动速度；等等。

5.主要特性及内存区(www.xing528.com)

CS1W-MC221及CS1W-MC421的主要特性见表5-33。

表5-33 CS1W-MC221、CS1W-MC421主要特性

（1）MC内存区比PCU大的多。要存储4种数据，分别是系统参数：含单元参数、内存管理参数、轴参数。轴参数含有MC要使用的系统信息，如使用轴数、任务数、进给率及操作范围。在MC的内部地址为4000～4684。定位数据：可存2000个位置地址。用G语言时，用A0000～A1999表示。在MC的内部地址为0000～1999。监控数据：是只读数据。含有MC单元不同类型的数据。诸如I/O监控数据，任务及MC出错时的轴出错码。在MC的内部地址为6000～6081。命令数据：用以传送位置数据写系统参数到闪烁内存，用IOWR指令写特定命令，执行自动装载及其它功能。在MC的内部地址为6100～6120。

（2）数据传送方法。联机使用CX-Motion软件下载、上载数据；使用PLC执行智能读写，即IOWR/IORD指令传送数据；使用PLC执行智能写，即IOWR指令，写指令区（#17D6）传送给定位数据。

图5-106所示为执行IOWR指令传送定位数据的示意。传送其它数据，或读数据也类似。

这里 C———定位数据的在MC中的首地址

S———含有定位数据的PLCDM区的首地址

D———占两个字，D指定目标单元号，D+1指定传送数据总数（以字为单位）

目标单元号就是设定的MC单元号。因为一个PLC可安装多个MC单元，故须指定这个单元号，以示区别。定位数据总数，每项3个字计。

（3）任务配置。在MC使用前须先配置任务。对CS1W-MC421，最多可设置4个任务。任务是执行程序的单位。如有4个任务同步执行，MC单元将具有同时控制X、Y、Z及U4轴的功能。而同一轴只能设定一个任务。CS1W-MC221最多可设2个任务，仅能同时控制X与Y轴。

（4）接口区。需要时，PLC可通过接口区经I/O刷新控制MC。它的分布由MC单元号的设定决定。CS1W-MC421分配50个字，而CS1W-MC221分配30个字。单元号与接口区开始字地址n的关系是：

n=CIO2000+10×单元号

其中：

对CS1W-MC421，n～n+17为输出区；n+18～n+47为输入区而n+48～n+49系统留用。

对CS1W-MC221，n～n+9为输出区；n+10～n+25为输入区而n+26～n+29系统留用。

CS1W-MC221单元号要占3个字，而CS1W-MC421要占5个字。故CS1W-MC221的最大单元号只能是93，指定后，94和95不能作为它用。而CS1W-MC421的最大单元号只能是91，指定后，92、93、94和95不能作为它用。还要所有单元号不能重复。

6.使用

使用MC单元大体过程是：模块安装，机号设定，接线，接通电源，建立I/O表，确定任务号，利用CX_MOTION软件设置系统参数并下载给MC，利用CX_MOTION软件用G语言编程并下载给MC，利用CX_PROGRAMMER软件编梯形图程序下载给PLC，监控、调试程序。

G语言是NC的语言，在运动控制中得到广泛的运用。它的特点是编程容易，只要先输入“G”，后加两个数字功能码，再加上所需要的参数，就是一条指令。MC单元用的G语言的功能码是，从G00～G91。如PTP，其功能码为G00。

例：用G语言编的一小段程序。具体如下。在此例子程序中，已对各个字段的含义作了说明。至于各个语句的功能如表5-34所示。

图5-106 执行IOWR指令传送定位数据示意

表5-34 例1程序各语句功能

图5-107所示为执行例1程序在X轴上所实现的运动。

图5-107 执行例1程序在X轴上实现的运动

以下以两轴系统使用CS1WMC221为例，看MC单元是怎么使用的。MC执行如下操作：

（1）每轴回到原点（0，0）；

（2）X，Y移动到（400，200）钻孔；

（3）移动下一位置（100，200）；

（4）移动到最后一个位置（200，400）；

（5）回原点。

为此，模块安装、机号设定、接线、接通电源、建立I/O表等先要进行。然后用CX_MOTION软件建立工程，并作有关设定。

运行CX_MOTION软件，建立工程，选PLC，选MC，工程如图5-108所示。

这时用鼠标左键双击“参数（Parameter Set1）”，将出现图5-109所示参数设定画面。

在其上可对使用轴数、任务数、任务内存范围等进行设定。并传送给MC。之后是编写、编译及存储MC程序。登记及存储工程。

图5-108 新工程画面

编写程序也是使用软件，打开G程序编辑窗口进行。本例的G语言程序如下：

N000 P001XY//声明程序号为P001，用于X、Y轴控制

∗001例子程序//这是注解

N002 G045//等待5秒

N003 G26XY//回X、Y轴各自原点

N004G11//为定位选择停止模式

N005 G01 X400 Y300 F30//用速度30移动到X400，Y300

N006 G01 X100 Y200 F10//用速度10移动到X100，Y200

N007 G01 X200 Y400 F30//用速度30移动到X200，Y400

N008 G026 XY//回X、Y轴各自原点

N009 G79//结束程序

这里每条指令//后为便于理解所加的注解。G语言程序不能加注解。

有了以上程序，还要编译、存储，与MC联机传送程序，并存入MC的闪烁内存。此外，还要编写相应的PLC控制MC及必要时传送数据的梯形图程序，再下载给PLC。这里有关梯形图程序略。

图5-109 参数设定画面