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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(hào)轉(zhuǎn)換為大功率的液壓動(dòng)力，從而實(shí)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(chǔ)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(shí)，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(dòng)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(hào)通過IM174接口模板或模擬量輸入模板將信號(hào)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(shí)，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(dòng)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(dòng)態(tài)特性都較低，而且在液壓伺服系統(tǒng)啟動(dòng)、停止以及換向時(shí)都會(huì)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(shí)，速度會(huì)非常不穩(wěn)定，而且位置閉環(huán)會(huì)不停的修正由速度不穩(wěn)定所帶來的位置偏差，這時(shí)液壓執(zhí)行機(jī)構(gòu)就會(huì)來回跳動(dòng)或者抖動(dòng)，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(shí)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(shí)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(shí)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(dòng)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(shí)現(xiàn)（如圖 3）：

圖 3. 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2.2 硬件及軟件要求

名稱	數(shù)量	訂貨號(hào)
CPU 315T-2 DP	1	6ES7315-6TG10-0AB0  Or 6ES7315-6TH13-0AB
		Firmware: V2.6
Or CPU 317T-2 DP	1	6ES7317-6TJ10-0AB0  Or 6ES7317-6TK13-0AB0
		Firmware: V2.6
Micro Memory Card 4MB	1	6ES7953-8LM20-0AA0
Interface module IM174	1	6ES7174-0AA00-0AA0
Or ET200M / ET200S	1	6ES7 153-2BA02-0XB0 or 6ES7 151-1BA02-0AB0
STEP 7	1	6ES7810-4CC08-0YA7 Version: V5.4 以上
S7 Technology	1	6ES7864-1CC41-0YX0 Version: V4.1 以上

表 1. 硬件及軟件要求

3.項(xiàng)目配置過程：

3.1 硬件組態(tài)
在 SIMATIC 管理器中創(chuàng)建新的項(xiàng)目并添加一個(gè) SIMATIC 300 站點(diǎn)。根據(jù)實(shí)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(hào)。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(xiàng)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(hào)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(hào)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(dòng)獲得補(bǔ)償曲線，所以需要建立兩個(gè)凸輪盤（Cam Disk）來確定補(bǔ)償曲線。其中第一個(gè)凸輪盤是用來測量、尋找補(bǔ)償點(diǎn)，而測量后的結(jié)果會(huì)寫入到另外一個(gè)凸輪盤，這個(gè)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(gè)凸輪盤，分別取名為：Cam_Profile 與 Cam_Reference，并填入兩個(gè)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(dòng)獲得補(bǔ)償曲線
FB 520 “GetCharacteristics” 和 FB 521“WriteCamData”兩個(gè)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(xiàng)目，并將項(xiàng)目中的FB520和FB521復(fù)制到自己的項(xiàng)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(gè)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(xiàng)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(xiàng)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：

PLC-Open FB	功能
FB 402 “MC_Reset”	復(fù)位可能出現(xiàn)的錯(cuò)誤
FB 405 “MC_Halt”	停止軸運(yùn)動(dòng)
FB 407 “MC_WriteParameter”	寫系統(tǒng)參數(shù)
FB 414 “MC_MoveVelocity”	使軸運(yùn)動(dòng)，并可改變其運(yùn)行速度
FB 434 “MC_CamClear”	刪除一個(gè)凸輪盤中的所有插補(bǔ)點(diǎn)
FB 435 “MC_CamSectorAdd”	插入一個(gè)新的插補(bǔ)點(diǎn)到凸輪盤中
FB 436 “MC_CamInterpolate”	修改凸輪盤的插補(bǔ)點(diǎn)
FB 439 “MC_SetCharacteristics”	激活一個(gè)凸輪曲線作為液壓閥的特性曲線

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

名稱	含義
輸入?yún)?shù)
Axis	液壓軸工藝DB號(hào)
CamReference	執(zhí)行測試時(shí)的參考凸輪盤的工藝DB號(hào)
CamProfil	最終要寫入的凸輪盤的工藝DB號(hào)
Enable	使能
Mode	執(zhí)行模式
maxDistance	執(zhí)行測試時(shí)的最大移動(dòng)距離
JogPos	正向點(diǎn)動(dòng)
JogNeg	負(fù)向點(diǎn)動(dòng)
JogVelocity	點(diǎn)動(dòng)速度
輸出參數(shù)
Done	測量完成
Busy	忙
Error	有錯(cuò)誤
ErrorID	錯(cuò)誤代碼
ErrorSource	錯(cuò)誤源
State	當(dāng)前狀態(tài)
ActiveCam	當(dāng)前執(zhí)行的凸輪盤的工藝DB號(hào)

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(hào)填入到相應(yīng)的管腳上；
• 通過點(diǎn)動(dòng)（Jog）管腳，將液壓軸移動(dòng)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(shí)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(shí)液壓缸會(huì)啟動(dòng)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(dòng)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(dòng)液壓軸運(yùn)動(dòng)；
• 液壓軸的移動(dòng)速度由位置反饋系統(tǒng)檢測并存儲(chǔ)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(huì)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(huì)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(shí)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(shí)間計(jì)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(gè)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(dòng)到初始位置
• 50-101：正向檢測
• 110-111：移動(dòng)到正向最大位置
• 120-171：反向測量
• 180-181：移動(dòng)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(dòng)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：

圖 18. 在線察看測量出來的補(bǔ)償曲線

到這里為止，液壓伺服軸的補(bǔ)償曲線已經(jīng)建立，在 TCPU 中就可以使用其定位功能塊對液壓軸進(jìn)行控制了，控制器會(huì)自動(dòng)使用補(bǔ)償曲線中的速度對應(yīng)關(guān)系調(diào)節(jié)輸出。有關(guān)更多液壓軸的使用請參考 TCPU 手冊s7_technology_manual_zh-CHS_zh-CHS.pdf 。手冊下載鏈接：
30119663

關(guān)鍵詞
TCPU, 液壓軸，液壓伺服系統(tǒng)，補(bǔ)償曲線