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液壓伺服系統(tǒng)簡(jiǎn)介
液壓伺服系統(tǒng)以其響應(yīng)速度快（相對(duì)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(guò)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(cè)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(guò)脈沖或者模擬量輸出來(lái)控制比例換向閥的開(kāi)度和方向從而控制液壓缸的運(yùn)動(dòng)方向和速度；測(cè)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(guò)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(lái)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(lái)的位置偏差，這時(shí)液壓執(zhí)行機(jī)構(gòu)就會(huì)來(lái)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?cè)诳刂埔簤核欧到y(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(lái)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(lái)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(lái)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(pán)）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(lái)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(lái)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(guò)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(kāi)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(duì)話框。

3.3 建立補(bǔ)償曲線凸輪盤(pán)
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(lái)線性化輸出變量與液壓軸速度之間的關(guān)系。在 TCPU 中通過(guò)使用凸輪盤(pán)（Cam Disk）工藝對(duì)象來(lái)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(duì)應(yīng)關(guān)系。由于本文使用功能塊 FB 520 “GetCharacteristics” 和 FB 521“WriteCamData” 來(lái)自動(dòng)獲得補(bǔ)償曲線，所以需要建立兩個(gè)凸輪盤(pán)（Cam Disk）來(lái)確定補(bǔ)償曲線。其中第一個(gè)凸輪盤(pán)是用來(lái)測(cè)量、尋找補(bǔ)償點(diǎn)，而測(cè)量后的結(jié)果會(huì)寫(xiě)入到另外一個(gè)凸輪盤(pán)，這個(gè)被寫(xiě)入的凸輪盤(pán)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(pán)，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(pán)

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

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

4.編寫(xiě)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(méi)有在 S7-Tech 庫(kù)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(lái)。
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(guò)該功能塊，系統(tǒng)能夠執(zhí)行測(cè)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(cè)量的補(bǔ)償曲線寫(xiě)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(lái)。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(xiě)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(pán)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(pán)中
FB 436 “MC_CamInterpolate”	修改凸輪盤(pán)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(cè)試時(shí)的參考凸輪盤(pán)的工藝DB號(hào)
CamProfil	最終要寫(xiě)入的凸輪盤(pán)的工藝DB號(hào)
Enable	使能
Mode	執(zhí)行模式
maxDistance	執(zhí)行測(cè)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(cè)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(pán)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(duì)象的 DB 號(hào)填入到相應(yīng)的管腳上；
• 通過(guò)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(cè)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(guò)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(cè)過(guò)程，可以通過(guò)狀態(tài)字（State）觀察當(dāng)前的執(zhí)行情況。
• 當(dāng)測(cè)量結(jié)束后，完成位（Done）置 1，表示測(cè)量工作已經(jīng)完成，而且測(cè)量出來(lái)的補(bǔ)償曲線已經(jīng)寫(xiě)入到 Cam_Profile 凸輪盤(pán)中。

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

• TCPU 通過(guò)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(kāi)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(cè)并存儲(chǔ)在 TCPU 內(nèi)；

圖 15. FB 520 的測(cè)量原理

4.5 FB 520 “GetCharacteristics” 補(bǔ)償曲線的寫(xiě)入過(guò)程（圖 16）：

• 當(dāng)所有位置上的測(cè)量值記錄完成后會(huì)以凸輪盤(pán)的形式存在 TCPU 中；
• 凸輪盤(pán)的坐標(biāo)分別對(duì)應(yīng)的是閥的給定開(kāi)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(pán)激活為液壓軸的補(bǔ)償曲線。

圖 16. 補(bǔ)償曲線的寫(xiě)入過(guò)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(pán)被激活，并且液壓軸被設(shè)置為閉環(huán)模式；
• 檢測(cè)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(kāi)始測(cè)量補(bǔ)償曲線：
  由正方向開(kāi)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(cè)量補(bǔ)償點(diǎn)，測(cè)量結(jié)束后回到初始位置；
• 由負(fù)方向開(kāi)始測(cè)量補(bǔ)償曲線：
  由負(fù)方向開(kāi)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(cè)量?jī)旤c(diǎn)，測(cè)量結(jié)束后回到初始位置；
• 寫(xiě)入并激活測(cè)量出的補(bǔ)償曲線：
  TCPU 將測(cè)量的補(bǔ)償曲線寫(xiě)入到另外一個(gè)凸輪盤(pán)，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(cè)
• 45-47：移動(dòng)到初始位置
• 50-101：正向檢測(cè)
• 110-111：移動(dòng)到正向最大位置
• 120-171：反向測(cè)量
• 180-181：移動(dòng)到初始位置
• 190-210：寫(xiě)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(cè)之后，可以通過(guò)在線的方式察看測(cè)量出來(lái)的補(bǔ)償曲線，如圖 18：

圖 18. 在線察看測(cè)量出來(lái)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(duì)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(duì)應(yīng)關(guān)系調(diào)節(jié)輸出。有關(guān)更多液壓軸的使用請(qǐng)參考 TCPU 手冊(cè)s7_technology_manual_zh-CHS_zh-CHS.pdf 。手冊(cè)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