[大佬]运动控制2 基本定位应用

在上一章节中，我们系统分析和讨论了运动控制机器方案的系统分析和论证的几个维度和关键点，并结合运动控制的特点介绍了选型配置要点及西门子提供的相应选型工具，在随后的几期我们会针对运动控制的不同功能和适用场景分别进行介绍，本期介绍的内容是基本定位应用。

基本定位应用是运动控制中位置控制中的一种基本应用，主要是指单轴的定位控制，例如：回零、相对定位、绝对定位等应用。定位控制是指当控制器按照控制要求发出控制指令，将被控对象的位置按指定速度完成指定方向上的指定位移，即在一定时间内稳定停止在预定的目标点处。定位控制的三个要素为指定的速度、方向、位移。定位控制系统即实现定位控制的系统，定位控制在民用和工业各领域应用广泛，如机床定位、电子行业、汽车行业、物流行业、医疗制药、金属成型、橡塑、包装等行业有广泛的应用前景。

一、定位控制方式

定位控制根据控制方式不同主要主要分为三种：开环控制、半闭环控制和全闭环控制。

1、开环位置控制系统：

图1 开环脉冲控制

开环位置控制是一种没有位置反馈的位置控制系统，它的驱动机构按照指令装置发来的速度或位置移动指令，驱动机械作相应的运动，但并不对机械的实际位移量或者旋转角度进行检测，从而无法将其与指令值进行比较。它的位置控制精度只能靠执行机构本身的转动精度来保证。常见的开环位置控制方式有：开环脉冲控制（图1），即由PLC、定位模块或者运动控制器发送一定数量的脉冲给伺服驱动器、步进电机或者变频器，驱动器控制电机旋转，电机驱动负载移动实现定位控制，由于是开环控制，输出脉冲的数量容易受到干扰，机械传动间隙、步进电机的失步也会导致的精度损失，加上材料打滑等因素，这种控制方式精度不可能太高，多为0.5mm，如果想进一步提高定位精度，需要根据EMC规范接线避免脉冲信号被干扰，提高传动系统的刚性，降低传动环节的公差间隙。

2、半闭环位置控制系统：

图2 半闭环位置控制系统

与开环位置伺服系统不同，半闭环位置控制系统是具有位置检测反馈的闭环控制系统。它的位置检测器（编码器）与伺服电动机同轴相连，可通过它直接测出电动机轴旋转的角位移，进而推知当前执行机械(如工作台)的实际位移，如图2所示，转速控制和位置控制使用电机轴上的同一个编码器。由于位置检测器不是直接装在执行机械上，位置闭环只能控制到电机轴为止，所以称之为半闭环，优点是成本比全闭环位置控制低，缺点是它只能间接地检测当前的位置信息，且也难以随时修正或消除因电动机轴与传动链误差引起的位置误差。半闭环位置伺服系统一般采用伺服电动机(交流伺服电动机或直流电动机)作为执行电动机。伺服电动机与普通电动机相比，具有调速范围宽和短时输出力矩大的特点，这样，系统设计时不必再为保证低速性能和增大力矩添置减速齿轮，而可将电动机轴与丝杠直接相连，使传动链误差与非线性误差大大减小。另外，系统还可以采用节距误差补偿与间隙补偿的方法来提高控制精度。适用于只强调重复定位精度的场合，工作台的误差也可以得到解决。

3、全闭环位置控制系统：

图3 全闭环位置控制系统

全闭环位置控制系统将位置检测器直接安装在工作台从而可以获得在工作台实际移动的精确信息，通过反馈闭环实现高精度的位置控制。从理论上说，这是一种最理想的位置伺服控制方案，在实际的系统中应用越来越广泛，例如：物流行业的堆垛机行走控制和提升机升降控制，板材定长送料切割应用等，采用全闭环位置控制可以有效避免材料打滑和机械磨损导致的精度降低。另外需要注意当时采用全闭环时，工作台本身的机械传动链也被包含在位置闭环中，伺服的电气自动控制部分和执行机械不再相对独立，传动的间隙、摩擦特性的非线性、传动链的刚度等都将影响控制系统的稳定，使系统容易产生机电共振和低速爬行。同时，工作台上的负载变化也会对系统产生影响，给系统的整定造成困难。此外，由于工作台被包含在位置闭环内，位置控制器的设计和调试优化就得考虑这部分机械的传输特性。由于工作台不同，机械的传输特性也有差异，这就给全闭环位置控制系统的通用性设计带来困难，需要借助高性能的控制器来实现，不利于降低成本。

二、西门子提供的解决方案：

为了顺应制造业的转变，传统的可编程序控制器（PLC）也进行了升级和改进，除了执行基本逻辑控制任务和通讯任务外，还要执行多种多样的运动控制任务，以满足在机械自动化中复杂的运动控制需求，如速度控制、定位控制、多轴同步控制等功能。如图4所示，西门子公司推出的不同层级的运动控制产品SIMATIC系列PLC及SINAMICS驱动产品，能够实现从基本速度控制到复杂的运动控制功能需求。

图4 西门子运动控制产品线

1、基本运动控制：主要产品为S7-200Smart或者S7-1200系列PLC以开环脉冲控制或者PROFINET RT通讯方式连接驱动器，用于速度控制和定位控制为主要需求的场合。

S7-200 SMART CPU 提供了三种开环运动控制方法：运动控制向导，PTO（脉冲串输出，图1所示）及PWM（脉宽调制）。从STEP 7-Micro/WIN SMART V2.4 和 S7-200 SMART PLC固件版本 V2.4开始增加了 PROFINET RT通信的功能，通过PROFINET接口和111报文可与V90 PN伺服驱动器进行通信连接进行位置控制，此接口可支持八个连接（IO 设备或驱动器）。为了简化运控程序和编程步骤，STEP 7-Micro/WIN SMART 集成了两组 SINAMICS 库指令，轻松实现PROFINET控制伺服定位。

图5 S7-1200三种运动控制方式图示

S7-1200运动控制，根据连接驱动方式不同，分成三种位置控制方式（图5），PROFIdrive控制方式、PTO控制方式、模拟量控制方式。这三种运动控制方式可以在TIA博图中通过工艺对象（TO）的方式进行组态。对于固件V4.0及其以下的S7-1200 CPU来说，运动控制功能只有PTO这一种方式。目前为止，1个S7-1200 PLC最多可以控制4个PTO轴，该数值不能扩展（可通过多CPU实现>4轴应用）。所有的 V4.1及其以上版本的 S7-1200 CPU都可以通过 PROFIdrive 或模拟驱动器接口控制最多 8 个驱动器实现闭环控制。另外，为了降低PLC的运算负荷，可通过PROFINET RT接口与具备（EPOS）和111报文的SINAMICS驱动产品进行通信，可以方便的地基于驱动器实现定位控制，此接口可支持16个连接（IO 设备或驱动器）。

2、中端运动控制：主要产品为S7-1500系列PLC，S7-1500PLC具有多种类型接口，可以连接不同接口的驱动装置，主要有两大类，即支持PROFIdrive通信的驱动接口（PROFINET或PROFIBUS）和模拟量（-10V ~ +10V）/脉冲（5V差分/24V脉冲）驱动装置接口。与S7-1200不同的是S7-1500还支持IRT通讯，配合支持DSC（动态伺服控制）功能的驱动器，可以获得更好的动态性能，通常应用在机器人和高速运动控制中，针对SINAMICS V90PN、S120、S210及SIMATIC MICRO-DRIVE 驱动系统，均优先推荐使用105报文与PLC通讯。这里的中端运动控制包括速度控制、定位控制、相对同步（设定值同步，不指定具体同步位置）的运动控制功能。

3、中端到高端的复杂运动控制：主要产品为S7-1500T/TF及SIMOTION系列产品，除了调速、定位、相对同步之外还增加绝对同步、凸轮同步、跨PLC同步以及运动机构控制功能。本期内容主要介绍基本定位应用，中高端中同步等复杂运动控制功能在后续几期会展开单独介绍，这里就不展开介绍了。

三、定位精度和位置分辨率计算

1、定位精度

运动控制应用可实现的定位精度取决于所用机械系统的公差。以半闭环定位控制为例：传动系统的间隙（包括弹性形变），包括齿轮箱和离合器的周向齿隙或电机的齿槽转矩产生的影响。所用编码器的分辨率对应用的可实现定位精度有额外的影响，因此必须考虑到这一点。一般来说，齿轮或传动比有助于提高可达到的定位精度，因为每个负载旋转的编码器步数随着传动比的增加而线性增加。您可以根据上期介绍的惯量匹配和系统的动态响应特性选型原则匹配合适的传动比、电机（包括编码器）以及驱动系统。

2、位置分辨率

这里的位置分辨率表示负载在两个运动控制循环之间行驶的距离。在实际应用程序中一般根据CPU运动控制处理的周期时间来确定位置分辨率。这对应于内插器周期和位置控制器周期。除其他事项外，这与响应时间有关，以防在运动循环期间或在改变运动控制作业时负载分布的剧烈波动。

这里以SIMATIC MICRO-DRIVE 驱动系统和 SIMATIC S7-1200/1500运动控制应用的定位精度和位置分辨率举例说明：

定位精度示例

在本例中，我们确定了西门子产品合作伙伴计划中的ebmpapst齿轮电机“SGE63.20 DK1PP63100960”的定位精度，该电机带有IQ编码器和Performax?Plus 63.1齿轮头，传动比为i=9。IQ编码器与评估电子设备一起提供400个部分的分辨率（encoder line number/increments p0408 = 100）。这使得齿轮输出轴的机械分辨率为每转负载3600节。每转负载移动1cm，编码器提供3μm的精度。Performax?Plus 63.1齿轮头的典型圆周齿隙约为1°。这使得齿轮马达的定位精度约为6μm。

位置分辨率示例

基于定位精度的例子，现在使用具有不同运动控制循环时间的相同电机系统来确定位置分辨率。 为此，负载以130mm/s的速度定位。根据运动控制循环时间，对控制器的系统性能有不同的位置分辨率和要求。

图6 运动控制的周期、位置分辨率及性能

S7-1200默认以10ms为“时间片”计算运动任务，如图7所示，执行一个时间片时，下一时间片会在队列中等待执行。如果执行轴的新运动任务（例如通过MC_MoveVelocity”实现速度控制时，更新速度值），新运动任务可能最多等待20ms（当前时间片的剩余时间加上排队的时间片）后才执行生效。使用“MC_Halt”运动控制指令停止轴以及利用“ MC_Power”指令的“Enable”输入引脚停止轴时，也要遵循时间片机制，轴停止也会延时1-2时间片（10-20ms）才生效。

图7 S7-1200运动控制的时间片

从V4.4固件版本以后，工艺对象V7.0开始，如图8所示，可以在工艺对象对应的DB中修改时间片时间"Static->Actor->PTOSliceTime"，修改范围为2-20ms。在一些需要快速响应的应用可以考虑减小时间片，例如：贴标机。如果希望降低CPU的运算负荷，可以考虑增大时间片时间。

图8 S7-1200修改运动控制的时间片

图9 运动控制的位置分辨率应用（线性轴）

如图6及图9所示，SIMATIC S7-1200基本控制器适用于中小型性能要求。可以使用SIMATIC S7-1500（T）高级控制器进行高级运动控制应用。需要注意的是，加载速度和运动控制周期对轴的同步行为有显著影响。相比之下，对定位性能的影响要小得多。可以通过免费的TIA Selection Tool选型组态工具，快速方便地计算运动控制资源、CPU性能及工作负荷，请参阅 109767888。

该示例的相应计算表格下载链接：

109779993_MotionControlResolution_V1_02_en.xlsx