基于欧姆龙 CJ 系列 PLC 与汇川伺服系统的运动控制集成与应用
引言
随着制造业智能化升级，运动控制系统对定位精度、动态响应及系统集成效率提出了更高要求。在可编程逻辑控制器（PLC）集中控制的自动化设备中，采用专用位置控制模块与伺服驱动器构成的脉冲位置控制系统，因其技术成熟、成本可控，仍被广泛采用。欧姆龙 CJ1W-NC213作为一款高性能两轴位置控制单元，如何与以汇川 IS630P 为代表的国产伺服驱动器实现高效、稳定的集成，对于推动核心部件国产化、降低设备成本具有重要意义。然而，在实际工程中，不同品牌设备间的参数匹配、调试流程往往缺乏标准化指导，影响系统开发效率与可靠性。本文以OMRON CJ2M-CPU33 型 PLC 为控制核心，结
合 CJ1W-NC213 模块与汇川 IS630P 伺服系统，围绕硬件组态、参数设置与控制程序设计等关键环节，展开一套完整运动控制系统的集成研究，旨在为工程师提供清晰、可行的技术方案与实践路径。本文的创新之处在于，针对低成本、简化硬件的应用场景，提出并验证了一种基于程序预置的软回零方法，为跨品牌集成中的原点设定问题提供了可靠的解决方案。
1. 系统总体构架
1.1 硬件组成
本系统主要系统由欧姆龙 PLC、欧姆龙位置控制模块 CJ1W-NC213、汇川伺服驱动器、伺服电机等部分够成，其硬件结构如图 1 所示。
图 1 系统硬件框架
1.2 电气连接
电气连接如图 2 所示，该系统中 CJ1W NC213 模块具备 X、Y 两轴独立控制接口，本研究中仅使用 X 轴接口（即端子 A1–A20）实现对单台伺服电机的控制。其关键接线按照功能划分如下 :
脉冲与方向信号 :A5（脉冲输出）连接至伺服驱动器 PP 端（即端子 43），A7（方向输出）连接至接 NP 端（即端子 39）。
表 1 系统主要硬件选型
图 2 NC213 与伺服驱动器电气连接图
急停安全链路构成如下 :A20 接 24V+ 电源，A16 则通过中间继电器 K2 连接至 0V，从而构成急停安全链路，同时该回路由 PLC 输出点 3.01进行控制。
伺服使能信号 : 伺服驱动器的 COM+ 端口（即端子 11）接入 24V+ 电源，同时 SON 端口（即端子 33）通过中间继电器 K2 连接至 0V，由PLC 输出点 3.00 控制其通断。
Y 轴处理说明 : 未使用的 Y 轴接口中，急停相关端子 B16 与 B20 仍需分别接入 0V 与 24V电源，否则模块将触发报警，报警代码为 6000。伺服驱动器电源及电机连接 : 伺服驱动器主电源接入 AC 220 V（即端子 L1、L2），电机动力线接 U、V、W 端，编码器信号线与电机对应连接。
1.3 系统工作原理
系统采用 “上位开环指令，下位闭环执行”的控制模式，其工作原理如图 3 所示，具体工作流程阐述如下 : 系统控制指令源于上层的可编程逻辑控制器（即 PLC 控制器），用户程序所设定的运动指令 ( 包括目标速度与目标位置 ) 经由CJ1W-NC213 模块及进行处理，将数字指令转化为具体的脉冲序列与方向电平信号。
图 3 系统工作流程图
汇川伺服驱动器接收该信号后，通过三环闭环控制系统（即位置环、速度环及电流环）来驱动电机精确执行。其中位置环（即位置控制器）通过持续比较指令位置与由编码器实施采集并反馈的实际位置信号，计算出位置偏差，经由控制算法处理，输出为速度指令，作为下一级控制器的输入。速度环（即速度控制器）接收上述指令，通过调节生成相应的转矩指令，以驱动电机快速且平稳地追踪目标速度。电流环（即电流驱动器）根据接收到的转矩指令，生成 PWM 信号作用于功率驱动电路，最终产生幅值与相位受控的三相电流汇入伺服电机，使其产生精确的旋转运动。电机转动时，同轴连接的编码器持续检测转子的
实际位置，并形成闭环反馈路径，但由于系统顶层控制器不读取编码器反馈，使得该系统构成开换位置控制，该种控制方式在保持高精度与优异动态响应特性的同时，显著简化了系统架构，降低了复杂性。
2. 系统配置
2.1 CJ1W-NC213运动控制模块配置
根据欧姆龙 NC213 操作手册， 在 CX Programmer 中将模块单元号设置为 2， 以确保与硬件拨码状态一致。 需注意， 由 于CJ1W-NC213 为 2 轴运动控制单元，而本研究中仅控制一根轴，因此需将 “Unused Axis Designation” 参数设定为 “Y-axis not used”。此外，由于系统未接入极限信号线，需将 “Limit input signal type” 参数设定为 “NO.input” , 详细参数配置见表 2 。
表 2 CJ1W-NC213 关键参数配置
2.2 汇川伺服驱动器设置
在无特殊应用需求的场合下，伺服驱动器的大部分参数采用默认设置即可。根据汇川伺服驱动器手册，由于本系统采用的电机编码器为绝对值型，需将参数 “H02.01” 设置成 3，即选择绝对位置系统，以实现与伺服电机编码器的正确匹配。
表 3 驱动器参数设置
此外，由于 OMRON 运动控制单元 CJ1W NC213 输出的脉冲类型为 CW/CCW 型，需将驱动器中对应参数 “H05.15” 设置为 3，使其能够接收 CW+CCW 型脉冲指令。
3. 控制系统程序设计
PLC 程序主要由操作存储区及数据区参数定义、手动控制程序、自动控制程序以及回零控制程序等部分组成。各模块功能设计如下 : 手动控制程序负责设定手动运行时的速度、加速度和与减速度。自动控制程序用于配置目标位置、运行速度、加速度以及减速度。回零控制程序负责设定回零方式、回零位置与回零速度。
3.1 存储区余数据区定义
操作存储器区域位于 PLC 的 CIO 区域中，是专门用于向运动控制单元 CJ1W-NC213 发送控制指令并读取其运行状态的专用地址区。该区域位于 CJ1W-NC213 模块所对应的特殊 I/O 单元区范围内。操作存储器区域和操作数据区的开始字由 CJ1W-NC213 所设定的单元号决定，具体计算公式如下 : 操作存储器区域的开始字 n = 2000+10* 单元号，操作数据区开始字I=D20000+100* 单元号 +60，关键地址分配见
表 4。
表 4 参数定义
3.2 手动控制程序
以图 4 所示的手动控制程序为例，其控制逻辑主要基于对输出点的直接操作。程序中通过控制点动信号（2020.09）与方向信号（2020.10）实现电机启停与转向，速度设为 5000pps，加减速时间为 600ms。
图 4 手动控制样例程序
图 5 自动定位样例程序
3.3自动定位程序
以图 5 的自动定位程序为例，其控制逻辑基于绝对位置模式，通过向运动控制单元发出继承化指令来驱动电机。程序使用绝对移动命令（2020.03）实现精确定位，在执行前需预设目标位置、速度与加减速时间，并通过 “忙” 标志（2024.13）判断是否完成。
3.4回零程序设计
伺服电机回零方式一般分为 4 种，1 限位开关 + 编码器索引脉冲（Z 相脉冲），2 限位开关回零，3 编码器 Z 脉冲回零，4 绝对位置系统。由于当前硬件设计中未接入原点接近开关、原点开关及编码器索引脉冲，方法 1、2、3 和4 均无法实现系统自动找零。因此，针对硬件中未配置原点传感器的状况，提出一种程序预置零位方法。具体逻辑如下 :1 手动将伺服电机移动至机械零位，2 执行 “当前位置预置” 命令
（2020.08），将该位置设零。3 使用断电保持型变量实时存储电机位置 ;4 系统重新上电后，从变量中恢复坐标值，无需执行物理回零。需要注意的是，程序预置零位方法依赖于 PLC 断电保持数据的可靠性与机械系统的稳定性。若发生保持数据丢失或电机因外力发生偏移，则原点将失效。为此，在系统设计中，可将预置的位置值进行多重备份，并在关键工艺流程中设置光电传感器等作为第二重位置基准校验，以
提高系统的长期稳定性。
图 6 回零程序流程
4. 实验验证与结果分析
4.1 位置指令跟随一致性测试
编写测试程序， 让系统以固定的速度（50kpps）和加减速时间（500ms），重复执行一段固定的位移（1000000 脉冲）。每次运动完成后，通过 PLC 程序读取并记录 NC213 模块“操作数据区” 中的 “X 轴当前位置”（D20292）。该值即为 NC213 模块根据其发出的脉冲数计算出的理论当前位置。重复此过程 20 次。
4.2 回零重复性测试
执行本文3.4节提出的“程序预置零位”方法。在机械某点设为零点后，记录此时 NC213 的当前位置值 D20292 为基准（应为 0）。然后，驱动电机离开该点，执行 “断电 - 重新上电 - 去零位” 操作。上电后，再次记录 D20292 的值。此过程重复 15 次。
4.3 结果与分析
4.3.1 位置指令跟随一致性测试结果
实验数据表明， 在 20 次重复测试中，NC213 模块的位置指令计算与累计完全一致，未出现任何脉冲丢失或计算错误。这强有力地证明了 OMRON PLC 与 NC213 模块组成的上位控制系统工作极其稳定。同时，在运行过程中，伺服驱动器面板显示的 “位置指令” 与 “位置反馈”值始终保持同步，无可见偏差。这证明了汇川伺服驱动器能够准确接收并执行每一个脉冲指令，整个 “脉冲发出 - 传输 - 接收 - 执行” 的链路是可靠和准确的。
表 5 位置指令跟随一致性记录 ( 单位 ：脉冲 )
4.3.2 回零重复性测试结果
15 次测试中，每次断电重启后，系统都能将位置精确恢复到 0 点。这证明所采用的 “使用断电保持型中间变量存储位置” 的方法是 100%成功的。该结果验证了此软回零方案在重复性上不存在误差，其稳定性依赖于 PLC 存储器的可靠性，而实验表明欧姆龙 PLC 的断电保持功能完全满足此应用需求。该方法在简化硬件的同时，实现了精准的原点记忆功能。
表 6 回零重复性测试结果 ( 单位 ：脉冲 )
5. 结束语
本文成功构建了一套基于欧姆龙 CJ 系列PLC 与汇川 IS630P 伺服系统的运动控制平台，实现了跨品牌设备的高效集成与稳定运行。通过系统的硬件设计、参数配置与控制程序开发，验证了该方案在位置控制方面的可靠性与实用性。所提出的程序预置零位方法，在简化硬件结构的同时保证了原点功能的实现，具有较强的工程推广价值。未来，将进一步研究基于工业以太网的总线控制方案，以提升系统响应速度与集成度，并探索多轴协同与复杂轨迹规划等高级运动控制功能。
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