[大佬]运动控制3 Gear同步应用

本期介绍的内容是Gear同步应用。

随着自动化技术的发展，特别是运动控制技术及闭环高速位置控制系统的发展，传统的机械解决方案逐渐被电气解决方案所代替，例如在生产机械中工艺上需要多组部件协同作业才能完成的多轴同步应用领域（如包装、灌装、印刷、飞锯、轮切等连续物料加工应用领域），原来复杂的机械传动系统（轴传动、链条传动、凸轮机构等刚性的机械连接）逐渐被运动控制器加伺服电机等电气同步解决方案所替代。

相比于机械同步，电气同步具备以下优势：

1、优化机械设计，节省开发及装配周期，降低机械传动环节的负载和转动惯量，进而提高机器动态响应速度。

2、避免机械磨损带来的精度下降，电气同步简化了传动环节，提高了精度。

3、简化了机械结构，高速运行时有效降低机械振动，并且可以通过软件算法实现振动抑制和负荷平衡等功能。

4、随时可以建立同步和解除同步，运行中不需要停机就可以根据工艺需求修改传动比和运行曲线，能提供更高灵活性和应用范围等，满足柔性生产需求。

在同步控制上，我们一般将其中一个可以作为参考的轴称为引导轴或者主轴，主轴可以是实轴，也可以是外部编码器或者虚轴。另外一个或多个轴作为这个主轴的跟随轴或从轴，跟随轴的位置和速度给定值由引导轴的设定值或者实际值（位置、速度、加速度）经过同步对象的计算和处理后给到跟随轴，从而实现同步运动。

轴同步有两种方式：

1. 齿轮同步（Gear）：从轴与主轴的速度或位置成线性关系（图1）。

图1 齿轮同步主从值的关系

2. 凸轮同步（Cam）：从轴与主轴的位置成一定对应关系（非线性），这个对应关系可以采用描点、多项式等方式来确定（图2）。

图2 凸轮同步主从值的关系

本文主要介绍齿轮同步（Gear）应用，凸轮同步（Cam）将会在下期展开介绍。

在同步控制上，西门子提供的解决方案主要有以下几种：

基于SIMATIC PLC同步轴工艺对象解决方案（例如S7-1500/T，Simotion等）。

下边我们就以S7-1500/T为例进行介绍（基于V17工艺对象V6.0），同步轴工艺对象包括有定位轴工艺对象的全部功能，同步轴也可以跟随引导轴的运动控制，引导轴和跟随轴之间的同步操作关系通过同步操作功能指定，图3所示为同步轴工艺对象的基本操作原理：

图3 同步轴工艺对象的基本操作原理

如图3所示，在对工艺对象完成相应组态后，需要通过编写用户程序调用相关的运动控制指令实现引导轴与跟随轴的同步运行。同步操作过程按以下阶段实现：等待同步（跟随轴等待同步运动的开始条件）、建立同步（跟随轴将与主值进行同步）、同步运动（跟随轴按照同步操作功能跟随引导轴的位置）、结束同步（超驰同步操作，主动同步操作会被跟随轴上的运动控制工作（比如“MC_Halt”）超驰；取消同步操作MC_GearOut，跟随轴与主值取消同步。跟随轴停在定义的位置，同步操作完成）。

同步操作中指令的操作模式（S7-1500,S7-1500T）：

图4 同步操作中运动控制指令对跟随轴的一般影响

图4显示了同步操作中运动控制指令对跟随轴的一般影响，在实践应用中我们可以灵活应用这些指令或者接口来解决工艺上及机械上的一些复杂应用问题。

通过“MC_LeadingValueAdditive ”作业，除了跟随轴的有效主值以外，还可以循环指定附加主值。通过“MC_PhasingAbsolute”或“MC_PhasingRelative”作业，可在齿轮传动或凸轮传动期间移动跟随轴上的有效主值。通过“MC_GearIn”或“MC_GearInPos”作业，可在引导轴和跟随轴之间启动齿轮传动。通过“MC_CamIn”作业，可在引导轴和跟随轴之间启动凸轮传动。通过“MC_OffsetAbsolute”或“MC_OffsetRelative”作业，可在齿轮传动或凸轮传动期间移动跟随轴上的从值。

需要注意，不能同时对跟随轴应用主值偏移 (MC_PhasingAbsolute/MC_PhasingRelative) 和从值偏移(MC_OffsetAbsolute/MC_OffsetRelative)。通过“MC_MoveSuperimposed 作业，可将从值与相对定位运动叠加，而无需考虑引导轴的运动。

在前两期我们介绍了如何根据工艺需求进行驱动选型及运动控制周期对定位精度的影响，我们也提供了用于选型和计算的相关工具，这里就不重复赘述了，针对同步应用中还需要重点关注以下几个功能：

耦合主值（S7-1500,S7-1500T）：

同步操作的主值由引导轴、引导轴代理（仅 S7-1500T）或外部编码器（仅 S7-1500T）提供。在用户程序中调用相应的运动控制指令来实现同步操作，从而在用户程序中指定并耦合主值。再次调用运动控制指令来指定其它引导轴时，主值会切换。

以下规则适用于主值耦合：

- 引导轴、引导轴代理（仅 S7-1500T）或外部编码器（仅 S7-1500T）可以输出多个跟

随轴的主值。

- 同步轴可与不同的主值互连。操作期间所需的所有互连都必须在工艺对象的组态期间

设置。

- 一次只能耦合并评估一个主值。

用于实际值耦合的外部插补主值 (S7-1500T)：

对于实际值耦合，处理实际值时会生成延时。为了对延时时间进行补偿，可将实际值外部插补到主值中。这意味着主值基于之前的已知值进行了外部插补。恒定速度或恒定加速度或减速度下的延迟时间可通过外推进行补偿。由于技术原因，外推过程中的加速度或减速度（加加速度）变化总会导致主值相关的跟随轴移位。有效的外推时间包含引导轴相关部分、组态的跟随轴相关部分，还可以包含跨 PLC 同步操作的时间，外部插补实际值将通过可组态的滞回进行评估，之后再作为主值进行输出。滞回评估可防止主值反转，从而导致外部插补干扰值，图5显示了实际值外推的顺序：

图5显示了实际值外推的顺序

过滤实际值：

编码器干扰信号会导致信号发生快速步长变化，这也会影响外插补。这种步长变化可通过使用合适的过滤器设置来减少或补偿。位置滤波器为 PT2 滤波器。速度过滤器为支持可组态容差带宽的 PT2 过滤器。实际速度值通过速度过滤器混合滤波，然后通过容差区间“稳定”。滤波后的实际位置值随后根据滤波后的速度值进行外推。

容差区间：

容差区间（图6）作用在插补周期中的速度滤波值上。一旦容差区间在一个方向上的改变超过最后一个输出值容差区间的一半以上，则该容差区间的位置将自动沿速度值方向移动。

随着容差区间的移位同时生成新的输出值。这对应于速度滤波值减去容差区间的一半。只要速度值保持在容差区间内，就不会生成新的输出值。

图6容差区间

滞后：

滞后作用在插补周期中的位置滤波插补值上。方向改变只有在位置值反方向发生至少为滞后值的变化时才起作用。滞后/反向容差可在容差区间内发生位置反向时防止主值意外反向。

图7滞后及方向容差

仿真同步操作 (S7-1500, S7-1500T)：

通过仿真同步操作，可使同步操作保持有效，而不会取消同步操作关系。通过运动控制指令“MC_SynchronizedMotionSimulation”，可在仿真中对激活的同步操作进行仿真。此时引导轴应停止。同步运动仿真仅影响跟随轴的同步运动。同步操作中设定值的更改不再在轴上进行考虑，也不再转发给驱动器。向驱动器输出的设定值仍来自可能的跟随轴叠加运动。这同样适用于同步操作仿真期间的单轴命令。仅在跟随轴处于同步运行状态时才开始“MC_SynchronizedMotionSimulation”作业。随后设置状态“同步”（“<TO>.StatusWord.X22” = TRUE）。如果跟随轴没有或尚未处于同步操作，则该指令将出现错误并中止。同步操作在仿真中保持有效，包括通过单轴作业触发运动或禁用引导轴和/或跟随轴的情况，例如通过打开防护门。同步运动仿真完成后，跟随轴不必再次同步。同步操作保持为“同步”状态。仿真结束后，同步操作的设定值在轴上立即生效。因此，在仿真结束时，请确保跟随轴的设定值与同步操作关系中的设定值相对应。如果仿真结束时跟随轴的位置不同于仿真开始时的位置，则会触发设定值阶跃变化。

需要注意，其它任何运动控制作业不会中止“MC_SynchronizedMotionSimulation”作业的执行。仿真的同步操作保持为激活状态，即使通过“MC_Power.Enable”= FALSE 或“MC_Stop”禁用跟随轴时，亦如此。重启工艺对象时会停止仿真，并会中止同步操作。新作业“MC_SynchronizedMotionSimulation”不会中止任何其它运动控制作业。

如果想更深入了解S7-1500及Simoton中关于Gear同步相关内容可参考以下资料：

《S7-1500/S7-1500T 同步操作功能》功能手册V6.0：

https://support.industry.siemens.com/cs/CN/zh/view/109781851

《S7-1500T 运动系统功能》功能手册V6.0：

https://support.industry.siemens.com/cs/CN/zh/view/109781850

SIMOTION Manual Collection：

https://support.industry.siemens.com/cs/document/109767598/simotion-manual-collection?dti=0&lc=en-CN