S7-1500T 轴优化的三种方法

1 轴优化的相关因素

1.1 轴稳定性相关因素

2 提升稳定性的优化方法

2.1 优化方法一、通过修改运动曲线的方法提升稳定性

2.2 优化方法二、通过使用专用程序块提升稳定性

2.3 优化方法三、通过调整预控和平衡时间常数提升稳定性.

1 轴提升稳定性的相关因素

1.1 轴稳定性相关因素

1. 机械结构的影响

运动控制传动系统是把电机的转矩通过机械传递到负载侧从而产生运动位移的系统。整个系统可以描述为通过有限刚性的弹性连接器件比如皮带、链条或者齿轮串联起来的，将多个机器部件的质量组合在一起的系统。可以为这样一个系统建立一个双质点振动器系统等效图，完整的运动传动系统，有很多这样的振动器串联起来。

图1 滚珠丝杠下的直线运动系统

从机械结构的视角，影响系统的核心因素是系统弹性作用下的力传递存在一定的延时，从而导致能量进行缓冲反弹，即系统在某些情况下极大的消耗能量抵制运动（零点），又在某些情况下负载拖动电机运动放大电机的输出能量（极点）产生振动。

2. 编码器反馈的影响

除了机械影响之外，编码器作为反馈器件，其特性也影响运动控制系统的动态性能。编码器存在的误差限制了位置或速度的稳态精度也影响系统的动态特性, 编码器粗糙的分辨率和安装不对中等问题会导致严重的转矩扰动。从编码器的角度来看，影响运动系统的核心因素有反馈的延迟，编码器的精度和分辨率以及编码器的安装。反馈延迟过长或者采用较低速率的通信方式接入的编码器信号会大大影响系统的稳定性以及限制系统的响应速度。而粗糙的分辨率或者较差精度会导致系统的控制精度远低于反馈信号的技术指标，一般会认为系统能达到的精度不会比反馈编码器的精度高并且低于编码器的分辨率一个数量级。在较低速率下，编码器的粗糙分辨率会带来较为严重的影响。在上一篇文章中提到的速度计算改变也是为改善这一个问题而设计的方法：即对于定位轴、同步轴和外部编码器工艺对象，实际速度可以通过驱动装置报文中的实际速率NIST_B来计算，而不通过位置反馈的两个周期微分进行计算。从而降低速度的波动以及后续控制导致的扭矩波动现象。

针对编码器的不足导致的各种问题，很多需要在前期选择阶段和现场安装阶段进行格外的注意，一方面选择正确可靠的编码器，另一方面进行合理准确的安装，这些工作对于运动空系统的长期稳定准确的运行有着至关重要的影响。关于编码器部分会在后续的专栏文章中单独进行讨论。

2 提升稳定性的优化方法

针对以上提出的机械系统限制导致的问题， 可以通过编程、设置参数等手段进行优化，由于实际工程上方法和种类特别繁多，因此仅选取有代表性的几种方法进行简要的介绍。

2.1 优化方法一、通过修改运动曲线的方法提升稳定性

基于轴的运动控制系统需要根据实际需要形成一组连续的位置和速度给定。即将设备所需的工艺数据结合驱动的特性形成连串的速度和位置给定值。必须尽可能的保证运动的轴系统能够按所要求的加速度和速度变化给定曲线来进行跟随。由于位置调节的信号传递特性不是无畸变的并且需要调节时间, 因而一定会产生动态跟随偏差。

轴的运动控制的基础是通过速度曲线进行。速度曲线根据动态参数由工艺对象进行自动计算。一个速度曲线可以定义在逼近、制动和速度改变等期间轴的特性。定位期间，将计算速度曲线，并将轴移至目标点。

速度、加速度和加加速度的最大值取决于驱动装置的特性和机械结构。这些最大值可以在动态限值中进行设定。动态限值可以有效地限制通过工艺对象产生的各种运动。

为了生成合理的位置给定曲线需要考虑以下因素：

· 避免达到进绐传动系统的电流和电压限幅值。

· 避免激励机械传递环节的振荡特性，或者限制振动在容许的范围之内。

合理的加速度和加加速度（jerk）下的定位轨迹精度可以得到改善, 并且还可以降低对传动系统以及机械传递元件的要求。加加速度（jerk）限制可以减小加速斜坡或减速斜坡期间的机械负荷，实现“平滑的”速度曲线。

图2 带加加速度的速度曲线

但是，通过修改运动曲线的影响作用来改善轨迹精度和降低对传动系统的要求, 会引起运动持续时间延长。

如果对冲击、加速度和速度等这些可影响的量值加以准确的限制,当在任何瞬间时刻都使这三个量值中的一个处于其极限值时,每个运动步距就都以时间最优方式进行。通过加加速度（jerk）限制 ,保证了各个连续运行几何程序段的速度和位移变化特性曲线可以相互交融地平滑过渡。在这种情况下,在这些量值的随时间变化过程中不存在拐点,而是连续过渡。

加加速度（jerk）参数设置有两种方法：

1. 简单的设置为加减速度的十倍数值。这是一种常见的简化设置方法。

2. 可以根据已知的系统特性和需要根据计算获取相关的加加速度（jerk）参考值，比如加速时间较长的情况下，根据能够接受的定位超调量值以及计算或者测量得到的系统最低固有频率和机械传递环节的阻尼因数（很难通过计算方法确定特别准确的阻尼值，因此通常采用经验值，常规的旋转进给系统数值一般小于等于0.2），计算的方法如下：

图3 计算系数和加加速度（jerk）

2.2 优化方法二、通过使用专用程序块提升稳定性

西门子提供SIMATIC 低频振动抑制定位程序块，有了这个程序块，定位的负载振荡可以显着减少。此程序块适用于发生低频负载振动的应用。使用此程序块时，轴以某种特殊方式定位，以便尽可能少地激发负载振荡。这样可以显着减少负载侧的振荡，而无需增加额外的编码器。该应用程序与所有 S7-1500 控制器兼容。使用这个程序块还有一个好处是可以降低工程师的调试时间，简化参数的设置。

图4 专用定位程序块

表1 参数说明

可以通过图5看出控制系统示例中的影响，如下所示：

-白色：命令给定位置[°]

-橙色：不使用FB的负载位置[°]

-红色：不使用FB的电机位置[°]

-浅绿色：使用FB的负载位置[°]

-绿色：使用FB的电机位置[°]

图5 专用程序块效果

2.3 优化方法三、通过调整预控和速度控制回路的替代时间常数提升稳定性

速度预控制用于在定位期间减少跟随误差。通过这种方式，位置控制器变得具有更高的动态响应。

位置调节的最重要的特点就是采用结构简单的单比例闭环回路结构。位置调节回路的输入信号是经过插补后的位置给定（基准量），通过与位置反馈（编码器）进行比较, 由此形成速度调节回路的速度给定值。在位置环节使用的是比例控制方式，由于单纯依赖闭环反馈形成速度较慢，必须等待位置设定值和位置实际值之间形成较大的距离才能形成相应的速度给定，因此可以利用速度预先控制值（速度预控）的方式提高系统的响应，并且缩短跟随误差。简要的说，通常使用的位置控制器是一个带有速度预控制的比例控制器。

从原理上讲，速度命令值直接在位置控制器输出上相加。由于在定位时，控制器侧已知速度设定值的大小，直接把设定值提供给速度控制器，使速度给定输入得更快，可以绕过位置控制器，此时位置控制器的主要功能是干扰抑制。

图 6速度预控制框图

要激活速度预控制，请在控制回路菜单中设置“预控制”参数数值大小，通常对于稳定系统采用100%的情况比较多，如果系统的稳定性差，惯量比非常大或者弹性现象很严重，则可以适当降低预控参数作为妥协。

图7 参数设置

速度控制回路的替代时间是速度控制环的简化模型参数。它可以防止位置控制器在加速和减速阶段叠加受控速度变量。

这是通过参考速度控制回路的替代时间，可以来延迟位置控制器的位置命令值，这样可以有效的避免超调的现象发生，因此这个参数不容忽视。

· 速度控制回路的替代时间太短：位置命令值延迟不足。这个位置除速度预控制外，控制器还可补偿跟随误差错误。该结果是加速减速期间速度指令值的过冲。

· 速度控制回路的替代时间太长：延迟过强。系统命令值与实际值之间的偏差为负（超出位置）。位置控制器反向对抗速度预控制。此时进入最终位置的爬行现象是非常显而易见的！

· 速度控制回路的替代时间准确设置：系统偏差等于0. 因此，位置环比例控制器输出也等于0。

在上一篇文章中提及到的优化方法特别适用于此场合，即通过适用博途V17的应用来自驱动装置的值”(Apply values from drive) 按钮。将自动获取以下值：

– 增益（Kv 因子）工艺对象采用来自驱动装置的值的 50% (r5276)。

速度控制回路替代时间常数：工艺对象采用来自驱动装置的值 (r5277)。

如果禁用速度预控制（预控= 0％），此时需要设置速度控制回路的替代时间= 0ms！