基于MCGS 和TC45的步进电机控制网络设计

刘晓峰　刘峰　程为彬

摘要：基于MCGS组态软件与TC45运动控制器，提出一种多步进电机的控制网络组成方法，介绍控制网络系统的软硬件设计方案，以实现同时对多个步进电机的转速控制、行程控制以及启停控制。实际测试结果表明该控制网络开放性、通用性和扩展性较好，可应用于相关工程技术领域。

关键词：组态软件；控制器；步进电机；控制网络

中图分类号：TP311 文献标识码：A 文章编号：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

步进电机是工业自动控制领域重要组成部分，网络化是步进电机运动控制系统的发展方向之一。目前步进电机的控制网络技术包括基于ARM嵌入式控制、基于CANopen/EtherCAT的网络化运动控制以及基于Modbus/485总线控制等。基于ARM嵌入式控制系统采用细分控制方法，能实现步进电机在外围环境中准确、低噪声、平滑和高精度运行，但其开发难度高，硬件电路复杂。基于CANopen/EtherCAT的网络化运动控制系统设计复杂，成本较高，但带负载能力强，网络性能优越。基于Modbus/485总线的网络化运动控制系统成本低，通信稳定，但带负载能力有限，网络性能较差[1-3]。

为在一定程度上改善控制网络的复杂性以及扩展性差等问题，设计了基于MCGS和TC45的步进电机控制网络。

1系统总体设计

系统总体构架如图1所示。步进电机控制网络架构由MCGS组态软件、TC45运动控制器、带Modbus协议的步进驱动器以及步进电机构成。系统通过上位机发送的步进电机增量、速度、启停等命令信息给TC45运动控制器，运动控制器将数据处理后传送至带协议的步进电机驱动器，步进电机驱动器将运动控制器传来的信号转换成模拟脉冲信号驱动步进电机；同时各电机的当前速度、增量等数据信息经过运动控制器转换传给上位机监控软件，并在监控界面实时显示。

上位机与控制器之间采用RS485传输方式的Modbus通信协议，通过此协议，控制器相互之间、控制器经由网络和其他设备之间实现互相通信[4]，上位机监控系统便可以与多个运动控制器组成一个控制网络，从而实现对多台步进电机的控制。

2 系统硬件结构设计

TC45运动控制器模块接口采用 Modbus 协议。各驱动电机作为一个控制子站，均有确定的通讯地址，通过标准协议与主控制器进行信息交换和执行主控制器的指令。

TC45运动控制模块与驱动器接口如图2所示。TC45运动控制模块可将上位机不同属性的数据命令转换成步进电机需要改变的属性命令，其供电电压为24V，其中运动控制器的端子485+与485-分别与RS485通讯线的正负连接，其中[XPUL]为步进电机脉冲控制端口，[XDIR]为步进电机转向控制端口。

步进电机驱动模块选用ST-6128步进电机驱动器。步进电机驱动器的端子DIR-与DIR+为步进电机转向控制端口，与TC45的端子[XDIR]端口相连，端子A+、A-、B+、B-与步进电机的四线相连。步进电机驱动器供电电源范围为9-32V直流，本设计采用24V直流电源。驱动器模块与步进电机接口如图3所示。

3 上位机监控系统设计

上位机监控系统采用MCGS组态软件开发平台构建。上位机监控系统与运动控制器的参数配置通过TC45运动控制软件实现[5-6]，计算机串口设置为COM1，通讯速率为38400bps，通讯超时最大值为2000ms，运动控制器模块通讯地址设为1。

组态软件设备窗口控制设备属性值的参数设置中，最小采集周期设为1000ms。其中设备地址与在TC45运控控制软件配置的参数地址一致，通讯等待时间为200ms。设置完相应的设备参数后，在组态软件界面的用户窗口建立新的窗口进行控制系统监控界面的组态，并通过TC45通讯协议编写相应脚本程序。上位机设计界面如图4所示。

4 实验分析

为验证对多台步进电机控制的可行性，本次步进电机控制网络实验搭建了两组运动控制器对四台步进电机进行测试验证，实验在Windows 7环境下通过MCGS组态软件完成了上位机监控系统界面的开发。实验前通过串口调试助手软件验证上位机监控系统与运动控制器模块通讯的正确性。

实验测试结果实现了对A、B、C、D四台步进电机运动速度大小的控制、AB步进电机与CD步进电机运动速度大小的同时控制，同时也实现了对步进电机的急停控制。基于ARM嵌入式步进电机的网络化控制在软硬件方面分别需要设计Linux设备驱动程序与PCB驱动板。基于CANopen/EtherCAT的网络化运动控制以及基于Modbus/485总线控制需要设计运动控制指令、通讯程序、以及加减速模块等。与此相比，本文设计的步进电机控制网络在硬件电路的复杂性与监控系统的开发难度上得到一定程度改善，因此基于MCGS和TC45步进电机控制网络在相关工程技术领域具有一定的现实意义。

5 结语

本文提出运用MCGS组态软件和TC45运动控制器构建的步进电机控制网络，设计了控制网络的硬件电路以及上位机监控系统。实验测试结果表明运用组态软件与运动控制器通过RS485通信可实现点对多点的控制，同时该步进电机控制网络设计在一定程度上减少了常规步进电机控制网络设计的工作量与研发周期，这对相关技术领域具有一定的推广和实用价值。

参考文献：

[1] 王晨.基于步进电机的网络化运动控制系统设计[D].哈尔滨：哈尔滨工业大学，2012.

[2] 鲁卫延.基于嵌入式的步进电机控制系统设计与实现[D].西安：西安工业大学，2015.

[3] 程杨，刘学平，占涛.一种基于MODBUS协议的工业控制系统设计[J].机械设计与制造，2011（1）：1-3.

[4] 杨世超，陶正苏.基于ModbusRTU通信协议的伺服电机联动控制系統[J].电子设计工程，2012，20（1）：91-97.

[5] 包建华.基于MCGS的步进电机控制系统设计[J].计算机测量与控制，2012，20（3）：702-704.

[6] 孙鸣，吴珏.基于TC45模块的GPRS无线抄表系统[J].电子技术应用，2005（6）：29-31.