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S7-200 SMART 运动控制的硬件基础

本文是VIP课程《S7-200 SMART运动控制之步进电机》的第四节。

前面的文章我们介绍了步进电机、步进驱动器及编码器,它们都是构成运动控制系统的元件。今天这篇文章,我们从运动控制的概念入手,介绍下什么是运动控制?运动控制系统由哪些元件组成?运动控制器是怎样来控制步进电机或者伺服电机的(运动控制的基本方式)?最后会介绍西门子S7-200 SMART系列PLC用于运动控制的资源,即运动轴。

本节主要包括如下一些内容:

1、什么是运动控制(Motion Control)?

2、运动控制的基本方式;

3、S7-200 SMART的运动轴;


cover.png

1、什么是运动控制(Motion Control)?

运动控制(Motion Control)是电气自动化控制的一个分支(常见的电气自动化控制包括过程控制、运动控制等),它是通过控制被控对象(通常是步进电机或者伺服电机)的速度、位移、力矩等物理量,来完成指定的控制任务。比如工业自动化中工作台往复运动的控制、3D打印机的控制、数控机床的控制、工业机器人的控制等都属于运动控制的范畴。

根据控制的难易程度的不同,运动控制又可分为通用运动控制和复杂运动控制。

"通用运动控制(General Motion Control)"是指被控对象的运动形式相对比较简单(比如工作台的往复运动)、通常只需要控制一个轴、其运动轨迹多为直线的运动控制;

"复杂运动控制(Complex Motion Control)"是指那些需要控制多个轴协调运动的、运动轨迹比较复杂的、对被控对象的速度、位置、力矩等物理量精度要求比较高的运动控制(比如数控机床、工业机器人的控制);

无论是通用运动控制还是复杂运动控制,都是由运动控制系统(Motion Control System)完成的。

一个完整运动控制系统包括运动控制器、步进驱动器或者伺服驱动器、步进电机或者伺服电机组成。由于伺服电机本身集成编码器,因此通常构成闭环控制系统;而步进电机本身没有编码器,因此多构成开环控制系统。当然,这也不是绝对的。可以通过在运动轴上安装编码器而使步进电机驱动的轴也构成闭环系统。

典型的运动控制系统如下图所示:

motion_control_system.png

2、运动控制的基本方式

运动控制器通过发送脉冲或者通信的方式将控制信号发送给步进驱动器或者伺服驱动器,步进驱动器或者伺服驱动器再根据控制指令驱动步进电机或者伺服电机进行运动。

1)、通信的方式:

S7-200 SMART标准型CPU可以通过PROFINET通信的方式将控制信号发送给SINAMICS V90伺服驱动器(PN版本),后者可以控制伺服电机进行运动;除了PROFINET,其它PLC还有支持Modbus、CANopen等通信协议的版本;下面这张图是S7-200 SMART通过PROFINET网络控制三台伺服驱动器的示意图:

PROFINET.png

2)、脉冲的方式:

运动控制器通过发送占空比为50%的脉冲信号给步进/伺服驱动器,后者驱动步进电机或者伺服电机进行运动。根据设置的不同,脉冲信号可以有1路或者2路,用来指示转速或者方向。这种信号输出方式也称为PTO(Pulse Train Output),即"脉冲串输出"。

SINAMICS V90有PTI版本,这里的PTI是指(Pulse Train Input),即"脉冲串输入",也就是说该版本的伺服驱动器接收PTO信号。

下面这张图是S7-200 SMART使用脉冲的方式控制三台伺服驱动器的示意图:

PULSE.png

注意:S7-200 SMART晶体管型的CPU可以输出脉冲串(PTO),继电器输出型不能输出PTO,选型的时候要加以区分;S7-200 SMART高速脉冲的频率范围为:2Hz~100KHz(即每秒2个脉冲到每秒100,000个脉冲);

3、S7-200 SMART的运动轴

为了方便的进行运动控制,S7-200 SMART引入了运动轴的概念。

运动轴是一个逻辑上的概念,简单理解,它是一个直线型的、包括输出(电机)信号和输入(限位)信号的轴。

S7-200 SMART标准型CPU支持运动控制功能。其中,CPU ST20最多支持2个运动轴;CPU ST40和ST60最多支持3个运动轴;

每个运动轴都有三个输出信号:P0、P1和DIS信号;

P0和P1用于控制电机的速度和方向,有四种配置方式:单相(2路脉冲输出)、双相(2路脉冲输出)、A/B相位正交(2路脉冲输出)、单相(1路脉冲输出);

DIS信号为源型输出,用来禁止或使能步进驱动器或伺服驱动器;

三个运动轴的P0、P1和DIS对应的输出通道如下表:

axis_number.png

注意:如果轴1组态为单相两路输出(脉冲+方向),则P1分配到Q0.7;如果轴1组态为双向输出或者A/B相输出,则P1被分配到Q0.3,但此时轴2将不能使用;

除了输出信号,每个运动轴还有对应的输入信号,比如工作台的左右限位信号、参考点信号、零脉冲信号等等。下面这张表格是CPU输入通道对应的运动轴信号:

axis_inputs.png

S7-200 SMART提供运动控制向导对运动轴进行组态;运动轴的测量系统可以是工程单位(比如mm),也可以是脉冲数;支持绝对位置、相对位置的运动;支持参考点查找;提供可组态的反冲补偿;最多支持32组曲线,每组曲线最多支持16 步;提供运动控制面板用于手动调试;

除了运动控制向导,也可以通过PLS指令来控制PTO信号的输出。这些内容将在后续文章中详细介绍。

好了,关于VIP课程《S7-200 SMART运动控制之步进电机》的第四节就先介绍这么多,如果你对该课程感兴趣,可以点击下面的连接查看课程内容。

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