实现闭环运动控制的方法与技术

S7-1200 PLC支持通过PROFIdrive或者模拟量输出（AQ）方式控制伺服驱动器实现闭环控制。S7-1200 PLC模拟量输出方式可以与V90PTI的速度控制模式配合使用，实现闭环控制，V90 PTI接收S7-1200 PLC模拟量模块或信号板发出的±10V模拟量信号作为速度给定，并通过PTO输出功能反馈位置信号给S7-1200 PLC的HSC，在S7-1200 PLC中实现闭环位置控制。

带PROFINET接口的V90驱动器（V90PN）有两个RJ45接口用于与PLC的PROFINET通信连接，支持PROFIdrive运动控制协议。S7-1200 PLC可以通过PROFIdrive方式对V90PN进行闭环控制，V90 PN必须选择标准报文3。与开环运动控制相同或类似的内容在闭环运动控制中不再累述。下文将以S7-1200 PLC通过PROFIdrive方式对V90PN进行闭环控制为例，介绍闭环控制新增的组态选项以及组态内容。与开环运动控制相比以下元素将添加到组态导航中：编码器、模数、位置监控（定位监控、跟随误差和静止信号）、控制回路。项目中使用的硬件见表12-18。

1.S7-1200 PLC工艺对象配置

在硬件目录的路径中找到V90PN的GSD文件，如图12-55所示。

表12-18 使用的硬件

将V90 PN拖拽到网络视图，单击“未分配”按钮，选择1200 CPU作为I/O控制器，单击V90PN的以太网网口，可以设置V90 PN的IP地址和设备名称等信息，如图12-56所示。

V90 PN的设备视图中配置标准报文3，如图12-57所示。

网络视图和设备视图组态完成之后，需要插入新的定位轴工艺对象，进行闭环轴的参数配置。

（1）基本参数

1）常规：基本参数中增加了“仿真”选项，如图12-58所示。

图12-55 V90 PN GSD文件

①“驱动器”：

a.“模拟驱动装置接口”：通过模拟量输出连接驱动装置；

b.“PROFIdrive”：通过PROFINET/PROFIBUS连接驱动装置。控制器和驱动器之间通过PROFIdrive报文进行通信。

图12-58中示例选择“PROFIdrive”连接驱动装置。

②“仿真”：在下拉列表中，选择是否仿真驱动器和编码器。模拟量驱动接口或PROFIdrive驱动装置均可仿真。在仿真模式下，不需要对驱动装置和编码器进行硬件配置。在仿真模式下，设定值不会输出到驱动器，也不从驱动器/编码器读取实际值。硬件限位开关和原点开关不产生任何影响。

仿真模式下的运动控制指令行为见表12-19。

图12-56 S7-1200CPU IP地址和设备名称

图12-57 V90PN报文配置

表12-19 仿真模式下的运动控制指令行为

1）驱动器：驱动器的配置如图12-59所示。

图12-58 基本参数-常规

图12-59 基本参数-驱动器

①选择PROFIdrive驱动装置

a.“数据连接”：在下拉列表中，选择连接接口为“驱动器”。

b.“驱动器”：在“驱动器”域中，选择一个已经组态的PROFIdrive驱动器。这里选择之前组态的V90PN。

注意：

如果为“数据连接”选择了“数据块”，“驱动器”选项将变为“数据块”，选择一个之前创建的数据块，数据块包含数据类型为“PD_TELx”的变量结构（“x”为所用的报文编号）。

②“与驱动装置进行数据交换”

a.“驱动器报文”：在下拉列表中，选择该驱动器的报文，必须与驱动器的设备组态相一致。图12-59中示例选择标准报文3。

b.“输入/输出地址”：显示报文的符号名称及输入/输出地址。

c.“反转驱动器方向”：如果要反向驱动器的旋转方向，则可选择该复选框。

d.“自动传送设备中的驱动装置参数”：如果要将驱动器参数“参考速度”和“最大速度”以数值形式从驱动器组态自动传送到CPU中，可选择该复选框。工艺对象进行初始化并启动驱动器和CPU后，将通过总线传送驱动器参数。图12-59中示例选择“自动传送设备中的驱动装置参数”，也可以选择手动同步以下参数：

e.“参考速度”：组态参考速度，与驱动器组态中的值相匹配。

f.“最大速度”：在该域中，将组态驱动装置的最大速度。从驱动装置的组态中获取最大速度。通过总线可传送的参考速度范围为-200%～+200%，最大速度最多为参考速度的两倍。

注意：

SINAMICS驱动器（V4.x及以上）支持自动传送驱动器参数。

2）编码器：编码器的配置如图12-60所示。

①“编码器连接”

a.“PROFINET/PROFIBUS上的编码器”：选择PROFINET上的PROFIdrive编码器。

b.“高速计数器（HSC）上的编码器”：选择高速计数器，编码器的实际值将传输至高速计数器。检查高速计数器数字量输入的滤波时间。滤波时间应足够短，以确保可靠记录脉冲。

②“编码器选择”

a.“数据连接”：选择“编码器”。

b.“PROFIdrive编码器”：选择一个事先组态的PROFIdrive编码器。图12-60中示例选择V90PN驱动器上的编码器。

注意：

如果为“数据连接”选择了“数据块”，“PROFIdrive编码器”选项将变为“数据块”，选择一个之前用户创建的数据块，数据块包含数据类型为“PD_TELx”的变量结构（“x”为所用的报文编号）。

③“与编码器之间的数据交换”

a.“编码器报文”：在下拉列表中，选择编码器的报文。其技术数据必须与设备组态相一致。图中示例选择标准报文3。

图12-60 基本参数-编码器

b.“输入/输出地址”：显示报文的符号名称及绝对输入/输出地址。

c.“反转编码器方向”：要反转编码器的实际值，选中此复选框。

d.“自动传送设备中的编码器参数”：如果要从编码器组态传输编码器参数到CPU，则选中该复选框。初始化工艺对象、启动CPU后，将从总线传送编码器参数。编码器的类型必须与轴组态以及驱动器组态中的类型相同。

说明：

PROFIdrive编码器（A16及以上版本）或使用SINAMICS驱动器（版本应为V4.x及以上）上的编码器，支持自动传送编码器参数。

④“编码器类型”：在“编码器类型”对话框中选择使用的编码器类型。可选择以下编码器类型：线性增量、线性绝对值、旋转增量、旋转绝对值。图中示例选择“旋转增量”。

如果未选中“自动传送设备中的编码器参数”复选框，需根据所选编码器类型，手动组态参数。根据所选编码器类型，组态见表12-20。

（2）扩展参数

1）机械：在“机械”组态窗口中组态驱动器的机械属性及编码器，如图12-61所示。

表12-20 编码器参数设置

图12-61 扩展参数-机械(www.xing528.com)

①“编码器安装类型”：在下拉列表中，选择如何将编码器安装在机械机构上。支持下列编码器安装类型：在电机轴上；外部测量系统。图12-61中示例选择“在电机轴上”。

②“位置参数”：根据所选编码器的安装类型，组态以下位置参数，见表12-21。

表12-21 编码器位置参数设置

图中示例“编码器安装类型”选择“在电机轴上”，“电机每转的负载位移”组态为10mm。

2）模数：可以对模数进行设置，如图12-62所示。

图12-62 扩展参数-模数

①“启用模数”：激活“模数”设置时，会将工艺对象的位置值映射到由“模数起始值”和“模数长度”定义的递归数值区间内。

②“模数长度”：定义模数范围的长度。

③“模数起始值”：定义模数运算范围的起始位置。

例如，为将旋转轴的位置值限制为一整圈，将“模数起始值”定义为0°、“模数长度”定义为360°。这时，位置值将映射到0°～359.999°模数范围内，如果轴目标位置为400°，则到达的实际位置为40°。图12-62中示例中，不启用模数，此时如果轴只沿一个方向移动，则位置值将持续增大。

3）位置限制：参数设置参考开环运动控制的设置。

闭环轴触发轴限位时的轴响应与开环时不同。到达硬限位/软限位时，轴将禁用，并根据驱动器中的组态进行制动，并转入停止状态。

注意：

到达硬限位/软限位时，在驱动器上减速度必须设置足够大，以使轴在机械挡块前可靠停止。

4）动态：参数设置参考开环运动控制的设置，“启动/停止速度”固定为0。

5）回原点：

“主动”：与开环运动控制相比，增加了“选择归位模式”设置，如图12-63所示。

可选择的归位模式如下：

①“通过PROFIdrive报文和接近开关使用零位标记”：主动回原点开始后，在指定的回原点方向上轴加速到组态的“逼近速度”并以该速度搜索原点开关。检测到原点开关后，轴以组态的“参考速度”逼近零位标记。到达零位标记后，轴将以“逼近速度”移动到“起始位置偏移量”位置，将当前的轴位置设置为起始位置。起始位置由运动控制指令“MC_Home”的Position参数指定。

②“通过PROFIdrive报文使用零位标记”：在指定的回原点方向上以组态的“参考速度”到达零位标记后，轴将以“逼近速度”移动到“起始位置偏移量”位置，将当前的轴位置设置为起始位置。起始位置由运动控制指令“MC_Home”的Position参数指定。

图12-63 回原点-主动

③“通过数字量输入使用原点开关”：在指定的回原点方向上轴加速到组态的“逼近速度”并以该速度搜索原点开关。检测到原点开关后，轴以组态的“参考速度”逼近组态的参考点开关侧。到达组态的参考点开关侧后，轴以“逼近速度”移动到起始位置偏移量指定的位置，并将当前的轴位置设置为起始位置。起始位置由运动控制指令“MC_Home”的Position参数中指定。其他参数设置参考开环运动控制设置。

注意：

如果是绝对值编码器，回原点模式仅支持模式6和模式7。

“被动”：参数设置参考开环运动控制章节。

6）位置监视

“定位监视”用于在设定值计算结束时对实际位置的状态进行监控。定位监视相关参数设置如图12-64所示。

①、④“定位窗口”：组态定位窗口的大小。

②“容差时间”：组态容差时间。一旦速度设定值达到零值，则实际位置值必须在“容差时间”范围内到达“定位窗口”。

③“在定位窗口中的最短停留时间”：组态最短停留时间。实际位置值在“定位窗口”范围内的持续时间必须大于“在定位窗口中的最短停留时间”。

“随动误差”：组态轴的实际位置与位置设定值之间的容许偏差，如图12-65所示。

图12-64 位置监视-定位监视

图12-65 位置监视-随动误差

①“启用随动误差监控”：勾选此选项时，轴在错误范围内停止。

②“最大随动误差”：组态最大速度时容许的随动误差。

③“随动误差”：小于“启动动态调整”速度时的容许随动误差（无动态调整）。

④“启动动态调整”：超过该组态速度时，将会动态调整随动误差。

随动误差是轴的位置设定值与实际位置值之间的差值。计算随动误差时，会将设定值到驱动器的传输时间、实际位置值到控制器的传输时间计算在内。允许随动误差取决于速度设定值。当速度设定值小于“启动动态调整”时，随动误差的容许范围为常数；而当速度设定值高于“启动动态调整”时，随动误差则随速度设定值按比例增长。当设定位置值与实际位置值之间超出允许随动误差容许偏差范围时，轴将停止运行。在运动轴调试初期，可以将“随动误差”设置为较大值以避免运动轴频繁出现随动误差错误。

“停止信号”：组态停止检测标准，如图12-66所示。

图12-66 位置监视-停止信号

①“停止窗口”：组态停止窗口的大小。

②“停止窗口中的最短停留时间”：组态停止窗口中的最短停留时间。轴的实际速度必须在“停止窗口”内保持“停止窗口停留的最短时间”，轴显示停止。

7）控制回路：用于组态位置控制回路的“预控制”和“增益”，如图12-67所示。

图12-67 控制回路

①“预控制”：修改控制回路的速度预控制百分比。

②“增益”：组态控制回路的增益系数。

注意：

“预控制”可提高系统的动态响应特性，但过大的设置值会使位置控制系统过冲。

轴的机械硬度越高，设置的“增益”就越大；较大的“增益”可以减少随动误差，实现更快的动态响应，但过大的“增益”将会使位置控制系统振荡。

2.V90PN的基本配置

S7-1200 PLC可以通过PROFIdrive方式对V90 PN进行闭环控制，V90 PN必须选择标准报文3。V90 PN的基本配置如下：

1）设置控制模式：使用V-ASSIST调试软件，在线后设置V90 PN的控制模式为“速度控制（S）”，如图12-68所示。

图12-68 V90 PN控制模式选择

2）选择通信报文：设置V90PN的控制报文为 标准报文3，如图12-69所示。

图12-69 V90 PN选择报文

3）配置网络：设置V90PN的IP地址及设备名称，如图12-70所示。

图12-70 V90 PN配置网络

注意：

设置的设备名称一定要与S7-1200PLC项目中配置的相同。配备名称和IP地址也可以在博途软件中进行配置。