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.液壓伺服系統(tǒng)簡介
液壓伺服系統(tǒng)以其響應(yīng)速度快（相對于機(jī)械系統(tǒng)）、負(fù)載剛度大、控制功率大等獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)在工業(yè)控制中得到了廣泛的應(yīng)用。而電液伺服系統(tǒng)是通過使用電液伺服閥，將小功率的電信號轉(zhuǎn)換為大功率的液壓動力，從而實現(xiàn)了一些重型機(jī)械設(shè)備的伺服控制。

1.1 液壓伺服系統(tǒng)的組成
液壓伺服系統(tǒng)主要由以下幾部分組成（如圖 1）：

• 儲油缸
• 油泵
• 比例換向閥
• 液壓缸
• 測量反饋系統(tǒng)
• 控制系統(tǒng)

圖1. 液壓伺服系統(tǒng)

使用TCPU控制液壓伺服系統(tǒng)時，TCPU就是該系統(tǒng)中的控制器；TCPU可以通過脈沖或者模擬量輸出來控制比例換向閥的開度和方向從而控制液壓缸的運(yùn)動方向和速度；測量反饋系統(tǒng)可以由設(shè)備編碼器或者模擬量信號通過IM174接口模板或模擬量輸入模板將信號反饋給TCPU。

1.2 液壓伺服系統(tǒng)與電氣伺服系統(tǒng)區(qū)別
控制電氣伺服系統(tǒng)時，執(zhí)行機(jī)構(gòu)（通常為伺服電機(jī)）能夠根據(jù)速度給定改變運(yùn)行速度，響應(yīng)快，動態(tài)特性好，給定與輸出之間呈線性比例關(guān)系；而液壓伺服系統(tǒng)由其液壓油的物理特性決定了其響應(yīng)速度和動態(tài)特性都較低，而且在液壓伺服系統(tǒng)啟動、停止以及換向時都會出現(xiàn)大滯后性，這樣就導(dǎo)致輸出給定與執(zhí)行速度之間的關(guān)系并不是線形的（如圖 2），這樣，一旦我們還以控制線性電氣軸的模型來控制非線性液壓軸時，速度會非常不穩(wěn)定，而且位置閉環(huán)會不停的修正由速度不穩(wěn)定所帶來的位置偏差，這時液壓執(zhí)行機(jī)構(gòu)就會來回跳動或者抖動，造成定位誤差大甚至損壞機(jī)械設(shè)備。所以我們在控制液壓伺服系統(tǒng)時就應(yīng)該先了解該系統(tǒng)的給定與輸出之間的關(guān)系，確定補(bǔ)償曲線來保證執(zhí)行機(jī)構(gòu)平穩(wěn)運(yùn)行。

圖 2. 給定與實際速度的關(guān)系

在 TCPU 中，補(bǔ)償曲線可以由多種方法來確定，例如 S7T Config 中的 Trace 工具，根據(jù)輸出不同的給定值和實際的速度值來確定差補(bǔ)點(diǎn)，將差補(bǔ)點(diǎn)的值以表格的方式添入到 Cam Disk （凸輪盤）中。
本文主要介紹使用自動獲得補(bǔ)償曲線功能塊 FB 520“GetCharacteristics” 和 FB 521“WriteCamData”來確定差補(bǔ)曲線。

2.系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及軟硬件要求

2.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
本系統(tǒng)的給定和反饋均使用高性能ET200M帶AI/AO模板來實現(xiàn)（如圖 3）：

圖 3. 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2.2 硬件及軟件要求

表 1. 硬件及軟件要求

3.項目配置過程：

3.1 硬件組態(tài)
在 SIMATIC 管理器中創(chuàng)建新的項目并添加一個 SIMATIC 300 站點(diǎn)。根據(jù)實際硬件配置硬件組態(tài)，本例中使用模擬量輸入輸出作為給定和反饋信號。組態(tài)模擬量輸入輸出并分配 I/O 地址(圖 4)；

圖 4. 硬件組態(tài)

3.2 在 S7T Config 中配置液壓軸
在 S7T Config 的瀏覽器中，雙擊“插入軸”(Insert axis)（圖 5）

圖 5. 插入液壓軸

在“常規(guī)”(General) 選項卡中，選擇“速度控制”(Speed control) 和“定位”(Positioning) 控制然后打開軸向?qū)В?br /> 在軸類型話框中，選擇“液壓”(Hydraulic) 軸類型。 將閥類型定義為“Q 閥”(Q valve)（圖 6）。

圖 6. 選擇軸的類型

配置完液壓軸的物理單位及模度后，進(jìn)入到輸入輸出的配置界面，并選擇其輸出方式模擬量輸出模板（圖7 ）；

圖 7. 選擇輸出方式

選擇輸出設(shè)備為模擬量輸出模塊，填入相應(yīng)參數(shù):

• Output:模擬量輸出地址
• Format:ET200M/ET200S選擇Left-justified
• Resolution:模擬量模板的輸出精度（不含符號位）

點(diǎn)擊繼續(xù)進(jìn)入到位置反饋參數(shù)界面，填入使用的模擬量輸入的地址（圖 8）：

圖 8. 選擇反饋方式

點(diǎn)擊繼續(xù)，進(jìn)入到位置反饋參數(shù)分配界面（圖 9）：

圖 9. 反饋參數(shù)分配

相關(guān)輸入?yún)?shù)：

• Factor/Offset:輸入系數(shù)及偏置
• Usable bits: 模擬量模板的輸入精度（不含符號位）
• Minimum value:輸入的最小值
• Maximum value:輸入的最大值

分配完所有參數(shù)，單擊“完成”(Finish) 退出軸組態(tài)對話框。

3.3 建立補(bǔ)償曲線凸輪盤
根據(jù)前文所提到的，液壓伺服系統(tǒng)需要確定一條補(bǔ)償曲線來線性化輸出變量與液壓軸速度之間的關(guān)系。在 TCPU 中通過使用凸輪盤（Cam Disk）工藝對象來確定補(bǔ)償曲線，液壓伺服軸的補(bǔ)償曲線反映了液壓比例閥輸出給定與液壓軸速度之間的對應(yīng)關(guān)系。由于本文使用功能塊 FB 520 “GetCharacteristics” 和 FB 521“WriteCamData” 來自動獲得補(bǔ)償曲線，所以需要建立兩個凸輪盤（Cam Disk）來確定補(bǔ)償曲線。其中第一個凸輪盤是用來測量、尋找補(bǔ)償點(diǎn)，而測量后的結(jié)果會寫入到另外一個凸輪盤，這個被寫入的凸輪盤也就是當(dāng)前液壓伺服系統(tǒng)的最終補(bǔ)償曲線。
在 CAMS 下面建立兩個凸輪盤，分別取名為：Cam_Profile 與 Cam_Reference，并填入兩個差補(bǔ)點(diǎn)描繪一條輸出給定與執(zhí)行速度間的參考關(guān)系曲線，如圖 10：

圖 10. 建立補(bǔ)償曲線凸輪盤

做好以上工作后，將 S7T-Config 存盤編譯，并將組態(tài)好的軸和凸輪盤等工藝對象生成相應(yīng)的工藝對象數(shù)據(jù)塊，并下載到 TCPU。本例中工藝對象數(shù)據(jù)塊對應(yīng)為：

• Axis：DB3;
• Cam_Reference: DB4;
• Cam_Profile: DB5;

4.編寫用戶程序

4.1 使用 FB 520 和 FB 521 自動獲得補(bǔ)償曲線
FB 520 “GetCharacteristics” 和 FB 521“WriteCamData”兩個功能塊并沒有在 S7-Tech 庫中提供，所以需要到以下鏈接下載例子項目，并將項目中的FB520和FB521復(fù)制到自己的項目中來。
下載鏈接：27731588

4.2 FB 520 和 FB 521 的功能介紹

4.2.1 FB 520 “GetCharacteristics”
通過該功能塊，系統(tǒng)能夠執(zhí)行測量并得到當(dāng)前液壓系統(tǒng)的補(bǔ)償曲線，并將相應(yīng)的Cam Disk激活為當(dāng)前液壓系統(tǒng)的Profile。其內(nèi)部調(diào)用結(jié)構(gòu)如圖 11：

圖 11. FB 520 結(jié)構(gòu)

4.2.2 FB 521 “WriteCamData”
該功能塊能夠?qū)y量的補(bǔ)償曲線寫入到相應(yīng)的Cam Disk中。其內(nèi)部調(diào)用結(jié)構(gòu)如圖 12：

圖 12. FB 521 結(jié)構(gòu)

由這兩個功能塊的結(jié)構(gòu)圖可以看出，其內(nèi)部調(diào)用了很多S7-Tech里面的功能塊，所以需要將這些功能塊復(fù)制到當(dāng)前的項目中來。而且，可以看到在FB520功能塊內(nèi)部已經(jīng)調(diào)用了FB521，所以只要保證FB 521在項目中存在就可以了，不需要在程序中單獨(dú)調(diào)用。表 2 為FB520,FB521所使用到的S7-Tech功能塊：

表 2. 使用的 S7-Tech 功能塊

4.2.3 FB520的管腳及其定義（圖 13 及表 3）：

圖 13. FB 520 管腳定義

表 3. FB 520 管腳定義

4.3 在OB1中調(diào)用FB520（圖 14）

圖 14. 在 OB1 中調(diào)用 FB 520

使用步驟：

• 將工藝對象的 DB 號填入到相應(yīng)的管腳上；
• 通過點(diǎn)動（Jog）管腳，將液壓軸移動到要運(yùn)行的最初始位置；
• 在 maxDistance 管腳上填入要執(zhí)行測量的最大行程，這里建議填入的行程距離要大于正常運(yùn)行時的工作行程，但注意不要超過液壓缸的最大行程；
• 準(zhǔn)備工作就緒后，將使能位（Enable）置 1，這時液壓缸會啟動檢測過程，可以通過狀態(tài)字（State）觀察當(dāng)前的執(zhí)行情況。
• 當(dāng)測量結(jié)束后，完成位（Done）置 1，表示測量工作已經(jīng)完成，而且測量出來的補(bǔ)償曲線已經(jīng)寫入到 Cam_Profile 凸輪盤中。

4.4 FB 520 “GetCharacteristics” 的測量原理（圖 15）

• TCPU 通過模擬量輸出將給定發(fā)送給液壓閥，并激活其動作；
• 液壓閥開啟后，相應(yīng)流量的液壓油注入到液壓缸并推動液壓軸運(yùn)動；
• 液壓軸的移動速度由位置反饋系統(tǒng)檢測并存儲在 TCPU 內(nèi)；

圖 15. FB 520 的測量原理

4.5 FB 520 “GetCharacteristics” 補(bǔ)償曲線的寫入過程（圖 16）：

• 當(dāng)所有位置上的測量值記錄完成后會以凸輪盤的形式存在 TCPU 中；
• 凸輪盤的坐標(biāo)分別對應(yīng)的是閥的給定開度和液壓軸的當(dāng)前速度；
• 最后 TCPU 會執(zhí)行 FB439 MC_SetCharacteristic 將當(dāng)前凸輪盤激活為液壓軸的補(bǔ)償曲線。

圖 16. 補(bǔ)償曲線的寫入過程

4.6 FB 520 “GetCharacteristics” 執(zhí)行時的基本步驟

• 初始化 FB 520：
  生成的線性參考凸輪盤被激活，并且液壓軸被設(shè)置為閉環(huán)模式；
• 檢測液壓軸的死區(qū)：
  根據(jù) TCPU 發(fā)出的目標(biāo)給定以及液壓軸的響應(yīng)時間計算出死區(qū)；
• 由正方向開始測量補(bǔ)償曲線：
  由正方向開始，TCPU 在不同的位置上給出一系列給定速度，并根據(jù)反饋速度測量補(bǔ)償點(diǎn)，測量結(jié)束后回到初始位置；
• 由負(fù)方向開始測量補(bǔ)償曲線：
  由負(fù)方向開始，TCPU 在不同的位置上給出一系列給定速度，并根據(jù)反饋速度測量償點(diǎn)，測量結(jié)束后回到初始位置；
• 寫入并激活測量出的補(bǔ)償曲線：
  TCPU 將測量的補(bǔ)償曲線寫入到另外一個凸輪盤，并將其激活為當(dāng)前液壓軸的最終償曲線。

4.7 FB 520 “GetCharacteristics” 的 42 種執(zhí)行狀態(tài)（圖 17）：

• 0-41：初始化
• 42-44：死區(qū)檢測
• 45-47：移動到初始位置
• 50-101：正向檢測
• 110-111：移動到正向最大位置
• 120-171：反向測量
• 180-181：移動到初始位置
• 190-210：寫入并激活補(bǔ)償曲線

圖 17：FB 520 的42種執(zhí)行狀態(tài)（State）

5.執(zhí)行結(jié)果
在FB520執(zhí)行自動檢測之后，可以通過在線的方式察看測量出來的補(bǔ)償曲線，如圖 18：

． 產(chǎn)品概述

訂貨號

6ES7138-4DB03-0AB0

兼容性

訂貨號為6ES7138-4DB03-0AB0 的1SSI對如下的模塊是完全兼容的：
? 6ES7138-4DB02-0AB0
? 6ES7138-4DB01-0AB0
? 6ES7138-4DB00-0AB0

特性

? 1SSI模塊是PLC和絕對值編碼器之間的接口，可以在用戶程序中周期的讀取編碼器值
? 可用的端子模塊 TM-E15S24-01 和 TM-E15S26-A1
? 等時模式
? 編碼器值的規(guī)格化
? 反轉(zhuǎn)編碼器的計數(shù)方向，從而調(diào)整軸的運(yùn)動方向
? 在標(biāo)準(zhǔn)模式下的鎖存功能，凍結(jié)當(dāng)前的編碼器值
? 在標(biāo)準(zhǔn)模式下，實現(xiàn)裝載比較值和當(dāng)前計數(shù)值的比較功能
? 可選擇的讀取模式
-Free wheeling
-Synchronous to the update rate
-Isochronously
? 使用Fast mode，快速的編碼器值檢測（6ES7151-1AA00-0AB0接口模塊不支持該功能）
? 在等時模式中考慮了最大的編碼器采樣率
? 等時模式的生命周期
? 編碼器值的奇偶校驗
? 格雷碼/二進(jìn)制碼

支持的編碼器類型

類型如下：
? 絕對值編碼器（SSI） 13 位
? 絕對值編碼器（SSI） 14 位
? 絕對值編碼器（SSI） 15 位
? 絕對值編碼器（SSI） 16 位
? 絕對值編碼器（SSI） 17 位
? 絕對值編碼器（SSI） 18 位
? 絕對值編碼器（SSI） 19 位
? 絕對值編碼器（SSI） 20 位
? 絕對值編碼器（SSI） 21 位
? 絕對值編碼器（SSI） 22 位
? 絕對值編碼器（SSI） 23 位
? 絕對值編碼器（SSI） 24 位
? 絕對值編碼器（SSI） 25 位

固件更新

可以使用STEP7 HW Config 更新1SSI模塊的固件版本（接口模塊支持該功能）。

標(biāo)識數(shù)據(jù)

? 硬件發(fā)行狀況
? 固件發(fā)行狀況
? 序列號
請參考：ET200S Distributed I/O System 手冊，Identification Data 章節(jié)

組態(tài)

可以使用如下的方法組態(tài)：
? A GSD file (http://www.ad.siemens.de/csi/gsd)
? STEP 7 V5.4 SP2 or V5.3 SP2 with HSP 2022 and higher

2. 時鐘模式

關(guān)于等時模式的描述參見如下手冊
15218045

硬件要求

? CPU 支持等時模式
? 主站或Profinet 主站支持等距總線周期
? IM151 支持等時模式
特性
1SSI 模塊可以根據(jù)不同的系統(tǒng)參數(shù)分配，工作在非等時和等時模式下
在等時模式下，主站和1SSI模塊的數(shù)據(jù)交換和總線周期是同步的
在等時模式下，所有的反饋字節(jié)具有一致性

3．模塊接線圖

接線規(guī)則

電纜（端子1和5/端子4和8）必須是屏蔽雙絞線。

端子圖如下：

圖1

注：1當(dāng)連接編碼器時，接線的極性要正確，否則會報編碼器錯誤

2短路電流保護(hù)-最大0.5A

4. 配置標(biāo)準(zhǔn)模式和快速模式

簡介

為了充分的利用SSI模塊的功能，根據(jù)不同的自動化任務(wù)，可以選擇標(biāo)準(zhǔn)和快速兩種模式。
應(yīng)擁領(lǐng)域 模式

表1

表2

表3

5．1SSI 功能

5.1 編碼器值檢測

絕對值編碼器傳送信息偵中的編碼器值到1SSI 模塊。信息貞的傳送由1SS1進(jìn)行初始化。如下的方法可以使用：

? Free-wheeling
? Synchronous
? Isochronous
在硬件配置的“Detection”參數(shù)中設(shè)置Free-wheeling 和synchronous 模式。這個參數(shù)只能工作在非等時模式下。

圖2

Free-Wheeling 方式
在該模式下使用latch功能，能獲得最大精確的數(shù)值。在每次的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)時間結(jié)束時，模塊開始傳送報文數(shù)據(jù)。與模塊的周期更新編碼器值是非同步的

Synchronous 方式
在該模式下可以檢測編碼器的實際值，能獲得最大精確的數(shù)值。數(shù)據(jù)報文的傳送和模塊的更新周期是同步的

Isochronous
在該方式下，當(dāng)?shù)染嗫偩€周期激活時，編碼器值的檢測是自動進(jìn)行的，DP 主戰(zhàn)和DP從占對于總線是同步的。

5.2 格雷碼/二進(jìn)制碼 轉(zhuǎn)換
當(dāng)設(shè)定為格雷碼時，絕對值編碼器的格雷碼值被模塊轉(zhuǎn)化為二進(jìn)制值；當(dāng)設(shè)定為二進(jìn)制碼時，絕對值編碼器的值不進(jìn)行轉(zhuǎn)換

5．3 傳送編碼器值和標(biāo)準(zhǔn)化
1SSI模塊確定的位置值，與下列相關(guān)：

? 編碼器類型
? Trailing 位的個數(shù)
? 編碼器總的步數(shù)
如：一個單圈的9位編碼器=512 步/轉(zhuǎn)設(shè)置如下的參數(shù):
編碼器類型：SSI-13 位
Trailing 位個數(shù)：4
編碼器總的步數(shù)：512

圖3

當(dāng)不激活Scaling 選項時，按照下圖來評估位置：

圖4

當(dāng)激活Scaling 選項時，按照下圖來評估位置：

圖5

5.4 檢測方向和反轉(zhuǎn)旋轉(zhuǎn)方向

方向檢測：運(yùn)動方向的檢測可以由模塊的LED燈來顯示
UP LED：編碼器的值由低到高
DN LED：編碼器的值由高到低

方向反轉(zhuǎn)：調(diào)整編碼器的運(yùn)動方向（軸的運(yùn)動方向）
? Off
保持編碼器位置值傳送的方向
? On
反轉(zhuǎn)編碼器的位置值的傳送方向。如：雖然編碼器的實際值在增加，但顯示的值在遞減

5.5 比較器（僅在標(biāo)準(zhǔn)模式）
編碼器的值可以與最多兩個裝載的值進(jìn)行比較，比較結(jié)果存儲在模塊的反饋接口中?？梢栽O(shè)定兩個比較值，在硬件組態(tài)中參數(shù)如下：

圖6

表4

5.6 鎖存功能（僅在標(biāo)準(zhǔn)模式）

使用數(shù)字量輸入（DI）的沿信號可以凍結(jié)當(dāng)前的編碼器數(shù)值

圖7

終止鎖存功能：鎖存功能必須被確認(rèn)，鎖存標(biāo)志位31被刪除后，編碼器值被更新。

圖8

5.7 在標(biāo)準(zhǔn)模式下的控制和反饋接口

表5

表6

5.8 快速模式下的反饋接口