博途V17-轴功能与优化

1 轴功能

1.1 概述

借助PLC中集成的运动控制功能，可以轻松高效地控制单轴和多轴驱动系统。SIMATIC 控制器和工艺模块，辅以 SINAMICS 驱动系统，提供了完美协调的产品组合。如果驱动器通过PLC的工艺对象进行定位调速工作，则它们被称为单轴。针对单轴运动控制来说，其运动需要具有高动态和重复精度高的需求，西门子的工艺对象特别适用于这样的运动过程。典型的单轴是速度轴和定位轴，例如传送带和提升定位。用户可以对机器中多个单轴的动作进行编程，以在机器中实现所需的运动。

从博途V17版本开始，轴功能有所调整，为了便于学习了解，列举如下。

1.2 支持直线电机配置

在Portal V17之前的版本中，如果需要对直线电机或液压缸进行控制，就必须更改工艺对象的参数设定，这些参数的修改需要通过HTML来计算(HTML下载链接https://support.industry.siemens.com/cs/us/en/view/109747153/zh)。计算示例如下：

从博途V17开始，工艺对象中就可以直接配置直线电机了，轴的位置以线性值进行衡量，例如毫米 (mm)，而对于转矩控制时其单位为N。因此，对于转矩限幅控制的应用，可以直接指定负载侧力限值，而且无需考虑效率问题：

1.3 速度计算方式的改变

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。

如果使用低精度编码器，则组态以下计算方法：

· 对于定位轴和同步轴工艺对象：通过驱动装置报文的实际速率 NIST_B 计算实际速度

· 对于工艺对象外部编码器：通过编码器报文 83 的实际速率 NIST_B 计算实际速度

对于低精度编码器，采用这种计算方式比在PLC的伺服周期内通过实际位置差值微分计算得到的实际速度更精确。

计算实际速度与以下运动控制功能相关：

· 轴同步操作中实际值耦合的实际值外插 (S7-1500T)

· 具有输出凸轮参考“实际值”的输出凸轮

· 轴从跟随模式转换为位置控制模式

· 计算轴的急停斜坡

· 轴的静止检测

1.4 轴功能中的反向间隙补偿

反向间隙是指当电机旋转方向开始反转时，直至轴实际产生了运动时电机必须行进的距离或角度。轴的反向间隙由变速箱和转轴的反向间隙共同构成。高精度机器（例如 CNC 铣削）需要对反向间隙进行补偿，以满足加工精度的要求。反向间隙也被称为丝杠背隙、齿轮间隙、死区等等。

机械背隙与方向有关，这种机械间隙可以是正的也可以是负的，下图显示了线性轴的转轴上的反向间隙：

激活反向间隙补偿功能后，轴在行进反向运行开始阶段时，轴的实际机械位置不变，但电机位置发生变化。如果不进行反向间隙补偿，工艺对象根据电机位置计算出的就是一个错误的轴位置。这意味着，轴在反向运动作业期间未移动到正确的轴位置。

有两种方法可以激活此功能：

方法一、使用博途V17软件，并且确保CPU版本是2.9或者更高版本，在轴的配置参数上直接设置反向间隙大小即可，这里绝对回原点方向是指进行绝对值编码器校正时轴所处的位置，系统会根据设置用来确定反向间隙何时进行补偿：

方法二、对于软件版本低于V17，固件低于2.9的CPU，可以使用西门子提供的FB程序块“BacklashCompensation”实现以下功能：

· 齿隙补偿，通过计算来补偿驱动器和运动机器部件之间的机械齿隙或编码器和运动机器部件之间的齿隙。

· 要校正的可选补偿值（插补补偿），它从补偿表中读取校正值。

功能块下载链接：https://support.industry.siemens.com/cs/ww/en/view/109766673

1.5 轴功能之TM41输出编码器信号

使用 SINAMICS S120 TM41 模块，可以将轴的位置模拟为编码器信号输出，例如，可以将主值作为外部控制器的编码器信号提供给其他控制器。

TM41模块接口一览

TM41 X520接口输出信号连接图：

输出信号的特性与增量编码器的相同。这就意味着TM41的输出可以为第三方控制器提供主值。TM41 通过标准报文 3 连接到 TO 轴。在户程序中可做为TO轴进行运动控制。

下图中，通过 DSC 操作的实际轴通过 SIMATIC S7-1500 上的虚拟轴进行同步控制，具有信号输出的轴通过 TM41 模块控制。通过对两个跟随轴进行同步操作耦合，伺服轴的位置通过编码器信号在 TM41 上输出。编码器信号可通过其它控制器评估。

2 优化

使用 Startdrive 软件组态的具有 DSC（动态伺服控制）功能的 SINAMICS 驱动装置，如果进行位置控制优化，可以按以下步骤操作：

1. 在驱动中执行一键优化操作，输入测试使用的角度，比如720°，执行成功后获取优化结果。

①激活/取消激活控制权

②动态响应，可通过指定阶段或一个动态响应系数来设置（仅适用于 CU320-2）

③优化结果。比较优化前和优化后的数值。

④激活电源模块（仅适用于不带功率模块 PM240-2 的 CU320-2）

⑤配置/距离限制，不可以为0

⑥一键优化的状态

⑦开始/停止优化一键优化

⑧针对选定参数的高级设置

⑨打开/关闭一键优化

2. 打开轴优化面板，在“主控制”(Master control) 区域中，单击“激活”(Activate) 按钮，以激活工艺对象的主控制，并建立与 CPU 的在线连接。将显示一条警告消息。

3. 在“轴”(Axis) 区域中，单击“启用”(Enable) 按钮启用工艺对象。

4. 可在“测量组态”(Measurement configuration) 区域中组态测试步的距离、持续时间和动态值。

5. 单击“优化驱动装置的值”(Optimize values in drive) 旁的绿色箭头。随即进入 Startdrive 对驱动装置进行优化。

6. 在 Startdrive 中使用一键优化 (OBT) 功能执行自动控制器优化。

返回轴控制面板。

7.“驱动装置已优化”(drive optimized) 显示为绿色。

8. 单击“应用来自驱动装置的值”(Apply values from drive) 按钮。

将应用以下值：

–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：工艺对象采用来自驱动装置的值 (r5277)。

9. 单击“向前”(Forward) 或“向后”(Backward) 按钮，启动正向或反向优化测试步骤。

在指定持续时间内，将根据指定距离输出设定值。轴将移动指定的一段距离。将在“跟踪”(Trace) 区域创建运动的跟踪记录（设定值和实际值）。

10. 评估跟踪记录，如下为增益不足的结果:

下图为增益过大的结果：

合适的增益效果：

11. 如果优化结果未达到要求，可继续调节增益 (KV)参数或者预控的百分比。

3 轴功能最常见的两个问题

3.1 上电后轴无法正常工作

在通过“MC_Power”使能轴之前，所有编码器和驱动器必须处于可用状态。

1. 必须满足以下要求（TIA Portal V15 及更高版本和 Motion Control V3.0）才能使用 MC_Power 指令启用工艺对象：

· 控制器和编码器之间已建立循环总线通信 (<TO>.StatusSensor[1].State=2)。

· 驱动器必须准备好才能启用。使用 Siemens 105报文，从报文“MELDW”状态字中读取“DriveReady”位。

2. 已经使用了自动配置编码器和驱动器参数传递功能，则必须增加以下状态检查：

· 在编码器或驱动器通道中成功执行“自动传输”状态

– (<TO>.StatusSensor[1]AdaptionState=2)

– (<TO>.StatusDrive.AdaptionState=2)

3. 由于 CPU 的启动速度通常比连接的驱动设备快，因此在大多数情况下，无法在 CPU 启动后立即启用工艺对象。自动配置编码器和驱动器参数传递功能只有在 CPU 和驱动器之间建立了通讯连接后才能进行。通过变量“CommunicationOK”（数据类型：Bool）来检查工艺对象与驱动器或编码器之间循环通讯的状态。

· 编码器：“<TO>.StatusSensor[1].CommunicationOK”

· 驱动器：“<TO>.StatusDrive.CommunicationOK”

特殊情况：

TO_ExternalEncoder：此工艺对象上没有驱动器。

TO_SpeedAxis：此工艺对象上没有编码器。

“MC_Power”的编程示例：

然后可以按如下方式触发运动控制指令“MC_Power”的输入“Enable”。