基于simotion運(yùn)動控制系統(tǒng)的軸限制功能

摘 要：simotion運(yùn)動控制系統(tǒng)作為西門子較成熟的運(yùn)動控制系統(tǒng)，能夠根據(jù)設(shè)計者自定義添加工藝對象及多軸同步插補(bǔ)功能，較輕松地實(shí)現(xiàn)多軸同步高精度的運(yùn)動控制。在運(yùn)用過程中，需要工程師在控制系統(tǒng)中匹配適應(yīng)的軸參數(shù)，對軸運(yùn)動的諸如最大運(yùn)動速度、靜態(tài)誤差、動態(tài)誤差、扭矩幅值等進(jìn)行限制，以實(shí)現(xiàn)運(yùn)動控制的安全性及精準(zhǔn)性，同時也能對所控制的軸實(shí)際狀態(tài)做到實(shí)時監(jiān)控。

關(guān)鍵詞：simotion;運(yùn)動控制;軸限制

中圖分類號：TP311? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：2096-6903（2022）07-0120-03

0 引言

在運(yùn)動控制系統(tǒng)中，出于對設(shè)備及人員安全性的需要及對所控制的運(yùn)動機(jī)構(gòu)本身狀態(tài)的監(jiān)視，可以通過設(shè)置軸監(jiān)視功能以達(dá)到設(shè)計要求。在軸使能后，如果軸的實(shí)際位置、實(shí)際速度與設(shè)定值之間的偏差超過預(yù)設(shè)的幅值，系統(tǒng)將自動產(chǎn)生相應(yīng)的錯誤信息，并且伴隨相應(yīng)的安全響應(yīng)，比如切斷軸使能，讓此處于錯誤狀態(tài)下運(yùn)動著的軸立即停止，以達(dá)到監(jiān)視及安全設(shè)計要求[1]。如果這些安全幅值沒有與實(shí)際機(jī)構(gòu)相匹配，或者軸優(yōu)化設(shè)置不理想，或者機(jī)械機(jī)構(gòu)本身存在問題，系統(tǒng)將自行產(chǎn)生這些錯誤信息，并立即結(jié)束當(dāng)前的運(yùn)動狀態(tài)。

1 定位監(jiān)視

在進(jìn)行軸定位操作時，位置設(shè)定值插補(bǔ)結(jié)束后，軸的實(shí)際位置開始被系統(tǒng)監(jiān)視，此功能為定位監(jiān)控。

位置設(shè)定值插補(bǔ)完成，圖中position tolerance time開始計時。如果在此定位容錯時間內(nèi)，編碼器反饋軸的實(shí)際值未進(jìn)入定位窗口，系統(tǒng)將報錯，軸也將相應(yīng)的去使能，定位監(jiān)視也隨之結(jié)束。如果編碼器反饋實(shí)際值進(jìn)入定位窗口，圖中minimun dwell time開始計時。如果在此最小停留時間內(nèi)，軸實(shí)際位置重新離開定位窗口，則定位容錯時間定時器將重新啟動開始計時，重新監(jiān)視定位容錯。如果軸實(shí)際位置重新進(jìn)入定位窗口，最小停留時間定時器將重新啟動，在此時間內(nèi)，軸實(shí)際位置未離開定位窗口，則系統(tǒng)變量motionStateData.motionCommand會變成MOTION_DONE，軸的定位監(jiān)視功能隨之結(jié)束，靜態(tài)誤差監(jiān)視功能也將同時啟動（如圖1所示）。

2 靜態(tài)誤差監(jiān)控

在軸已使能的情況下，如果沒有執(zhí)行定位指令，則零速監(jiān)視功能一直處于激活狀態(tài)。零速監(jiān)視有一個零速監(jiān)視窗口Standstill window和監(jiān)視時間Tolerance time需要設(shè)置，如果實(shí)際位置離開了零速監(jiān)視窗口，并超過了容差時間，系統(tǒng)將報錯并伴隨的去除軸使能。此功能主要應(yīng)對軸停止?fàn)顟B(tài)下，受到外力的影響或機(jī)械裝置本身的影響，無進(jìn)給指令下軸位置發(fā)生偏移的情況，若系統(tǒng)及人員未識別此情況，就會存在機(jī)械碰撞或人員損傷的情況。一旦觸發(fā)軸靜態(tài)誤差監(jiān)視報警，軸將立即去使能（如圖2所示）。

3 動態(tài)跟隨誤差監(jiān)控

在進(jìn)行定位的過程中，軸的實(shí)際位置必然滯后于設(shè)定位置，兩者的偏差值會隨著線速度的增加而增大。位置軸的動態(tài)跟隨誤差監(jiān)視功能能夠?qū)@個偏差進(jìn)行監(jiān)視，一旦該偏差超過了預(yù)先設(shè)定的門限值，系統(tǒng)將自動報錯并伴隨的去除軸使能，使整個運(yùn)動系統(tǒng)各個軸停止進(jìn)給。在低于一個指定的速度Minimum velocity for dynamic following error monitoring時，跟隨誤差監(jiān)視門值是一個常數(shù)Constant following error;在高于該速度時，監(jiān)視門值與設(shè)定速度成線性關(guān)系，最大監(jiān)視門值Maximum perm.Following error對應(yīng)了最大速度設(shè)定值Max velocity.在工藝對象軸參數(shù)中，也可實(shí)時查看跟隨誤差值（如圖3所示）。

4 速度偏差監(jiān)視

速度偏差監(jiān)視功能僅使用于速度控制方式下，比如速度軸或者位置軸在速度控制模式下的運(yùn)動。當(dāng)軸在速度控制方式下運(yùn)行時，濾波后的軸實(shí)際速度與設(shè)定速度間的偏差超過一個門限值Maximum velocity deviation時，系統(tǒng)將自動報錯并伴隨的去除軸使能（如圖4所示）。

5 安全限位限制

運(yùn)動控制系統(tǒng)中的各個直線運(yùn)動軸是有機(jī)械限位的，可以在系統(tǒng)中設(shè)置正/負(fù)軟件限位位置或添加碰塊開關(guān)設(shè)置正/負(fù)硬件限位來限制直線軸允許的運(yùn)動范圍。當(dāng)軸到達(dá)預(yù)設(shè)的軟限位位置后，此軸軟限位生效方向的任何進(jìn)給指令將不再生效，但反方向的進(jìn)給指令不會受影響。當(dāng)軸已經(jīng)與安裝的硬件限位開關(guān)發(fā)生碰撞時，系統(tǒng)將根據(jù)預(yù)設(shè)的動態(tài)響應(yīng)參數(shù)停止運(yùn)動，同時系統(tǒng)將產(chǎn)生硬件限位報警，軸使能也同時丟失，僅能在復(fù)位報警后，才允許軸向硬限位發(fā)生的反方向進(jìn)給。為了提高硬限位設(shè)置的安全性，碰塊開關(guān)最好使用控制器自帶的輸入輸出接口，因其與控制器CPU之間為模塊內(nèi)部ProfiBus通信方式，響應(yīng)更快，設(shè)置方式更簡單，故障率也更低（如圖5所示）。

6 扭矩限幅

扭矩限幅功能主要運(yùn)用于通過擋塊觸碰停止的運(yùn)動控制，或可能發(fā)生機(jī)械碰撞，又不便于添加軟/硬限位的運(yùn)動系統(tǒng)中。通過“_enableTorqueLimiting”系統(tǒng)功能塊編程以定義軸扭矩限制，若設(shè)置“torqueLimitUnit”參數(shù)為“TORQUE”時，指定扭矩為電機(jī)側(cè)，若設(shè)置為“DEFAULT_UNIT”時，指定扭矩為負(fù)載側(cè)。

對于速度控制軸及旋轉(zhuǎn)軸，電機(jī)側(cè)與負(fù)載側(cè)的扭矩與齒輪比成正比，單位為Nm/kNm/MNm。轉(zhuǎn)換公式為：

對于標(biāo)準(zhǔn)電機(jī)組態(tài)的直線軸，電機(jī)側(cè)與負(fù)載側(cè)的扭矩轉(zhuǎn)換需要考慮機(jī)械齒輪比、絲桿螺距、絲桿效率，負(fù)載側(cè)扭矩單位為N/Kn/MN。轉(zhuǎn)換公式為：

說明：F=力，M=扭矩，S=絲桿螺距，η=絲桿軸效率。

7 位置閉環(huán)控制

一般絲桿、齒條、蝸輪蝸桿等機(jī)械傳動方式，本身都會有一定的機(jī)械間隙，當(dāng)中間傳動機(jī)構(gòu)多了之后，間隙將逐級累加，這時候使用電機(jī)編碼器來檢測最終機(jī)械結(jié)構(gòu)的的位置，必定會有一定的偏差，可以在最終機(jī)械結(jié)構(gòu)上增加位置編碼器，將此編碼器設(shè)定為位置閉環(huán)的信號源，可以有效消除中間傳動結(jié)構(gòu)的機(jī)械間隙，增加運(yùn)動控制的控制精度。

如圖6中在SERVO_05驅(qū)動器的X202、X203口分別配置其電機(jī)編碼器及外接編碼器，將外接編碼器設(shè)置為軸的第一編碼器后，軸的位置將由此編碼器來反饋，所有的靜態(tài)監(jiān)控、動態(tài)監(jiān)控等也將由此編碼器的信號主導(dǎo)。

工藝對象連同驅(qū)動裝置中的控制器一起構(gòu)成級聯(lián)控制系統(tǒng)，最內(nèi)側(cè)的控制級聯(lián)是電流控制，下一級聯(lián)是速度控制，二者均位于驅(qū)動裝置中，位置控制器是最外側(cè)的級聯(lián)。定位軸/同步軸的位置控制器是一個使用或不使用預(yù)控制速度的閉環(huán)P控制器，使用伺服增益系數(shù)設(shè)置比例作用控制器的增益。軸的機(jī)械狀態(tài)越好，可以設(shè)置的位置環(huán)增益因數(shù)越大，跟隨誤差越小，動態(tài)響應(yīng)也更快（如圖7所示）。

8 結(jié)語

本文針對西門子SIMOTION運(yùn)動控制系統(tǒng)中軸的多種安全限制功能進(jìn)行了分析與闡述，正確地設(shè)置了軸限制安全參數(shù)能夠?qū)﹄姍C(jī)驅(qū)動的機(jī)械裝置運(yùn)行監(jiān)控，在機(jī)械裝置運(yùn)行出現(xiàn)偏差或超過設(shè)計扭矩、行程等故障時能夠自動識別并及時進(jìn)入保護(hù)狀態(tài)，從而避免裝置及人員出現(xiàn)損傷情況。

參考文獻(xiàn)

[1] 顧和祥.運(yùn)動控制系統(tǒng)運(yùn)用及實(shí)例解析[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社， 2021.

收稿日期：2022-05-05

作者簡介：唐丙松（1987—），男，云南玉溪人，本科，工程師，從事鐵路大型養(yǎng)路機(jī)械電氣控制系統(tǒng)研發(fā)與控制工作。