伺服电机的回零(进阶篇)

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简  介

回零是伺服控制的一个大课题。系统对回零的要求各种各样，各厂家的运动控制器或驱动器支持的回零方式各不相同，且伺服电机也有多种反馈类型，由此衍生出多种回零方式。另，各厂家对与回零相关的关键术语的描述也不尽相同，因此，有很多与伺服回零相关的话题和讨论。

4月15日，本公众号曾发了一篇“伺服电机的回零”的学习笔记。那篇文章介绍了回零的原理和功能，未讲解回零的实现。本篇以ABB Microflex e190伺服驱动器配17位单圈绝对值伺服电机为例，讲解基于伺服驱动器的回零，以及如何通过Beckhoff PLC，在伺服驱动器上实现伺服回零。

基于伺服的回零

基于伺服自身回零，即DriveBased Homing。ABB 的Microflex e190是新一代智能伺服驱动器，自身可编程。通过对伺服驱动器编程，其命令发出和回零的执行都在驱动器内部实现，响应快，回零精确。

Microflex e190支持的是Mint编程语言，需使用ABB MintWorkbench软件对伺服进行编程。

图1：伺服装置

伺服回零需要定义一个零点开关，使用HOMEINPUT关键字定义，如语句HOMEINPUT(0)=1设定伺服的DI1输入点为零点开关。

需要设置找零点开关的速度，以及找到零点开关后的回退速度，分别用HOMESPEED和HOMEBACKOFF关键字设置。

当回零需要找索引脉冲时，还需要设置零点开关OFF后，找索引脉冲的爬行速度，用关键字HOMECREEPSPEED设置！所谓的索引脉冲，对于增量式编码器对应的是Z相脉冲，对于绝对值编码器对应的是绝对读数为零的角度位置。旋转变压器没有索引标记，但驱动器会根据旋变的反馈信号，通过算法，计算出一个索引标记。

依据以上描述，实验中对于Homing配置的编程代码如下：

图2：回零配置Mint代码

HOMEBACKOFF=2指找到零点开关后，回退速度为HOMESPEED的二分之一，即15/2=7.5！（用户单位已定义为r/s）。

以上代码仅对回零功能进行配置，并未触发回零动作。回零动作，需要执行HOME(0)=value指令，比如可用如下代码启动回零：

图3：回零执行代码

把HOME启动指令放到与DI2对应的EVENT事件中。用DI2启动HOME指令。

给HOME(0)赋不同的值，对应不同的回零功能。本例中，Value为3，定义回零方法。本回零方法共分三步：

第一步：以HOMESPEED=15正向运动寻找零点开关（DI1 ON）

第二步：找到DI1后以（HOMESPEED/HOMEBACKOFF=7.5）的速度回退（DI1 OFF）

第三步：待DI1OFF后，以HOMECREEPSPEED=0.2的速度寻找索引脉冲

抓取的回零过程实时曲线如下图，图中蓝色为伺服的速度，红色为原点信号，粉色为伺服的位置。三个步骤分别对应下图的1,2,3。

图4：回零执行曲线

回零完成后，当前值改成0。

Microflex e190中定义了多种回零方式，可实现各种回零功能。

图5：多种回零方式

GDI控制的DS-402 Homing

GDI是ABB伺服专有的控制方式。在伺服驱动器中下载ABB GDI程序。GDI程序中定义了伺服驱动器的接口变量NETDATA（输入和输出）。PLC通过读写NETDATA寄存器，即可实现对伺服驱动器的控制。GDI方式可支持多种通讯方式和多PLC品牌。本实验以西门子PLC为例讲解。

图6：西门子PLC配置

在GDI程序中，可设置HOMETYPE所支持的DS-402 Homing回零方式。如以下代码设置第21种回零方式，DI1设置为回零开关。

在TIA中，PLC程序调用ABB提供的GDI控制库中的GDI_Home功能块。

图7：GDI_HOME程序块

DS-402 Homing 定义了37种HomeType，可参考相关参考资料，或Mint Workbench软件的帮助文档。

另，通过GDI控制方式，也可实现挡块回零，在库中需调用另一个功能块：

图8：GDI挡块回零

其中TorqueLimit为扭矩限值，其设置单位为伺服电机额定扭矩的百分比

有的厂家也称为撞块回零，在PLCopen运动控制规范Part 5中（英文的），有功能块MC_StepBlock与本功能块相对应。

图9：MC_StepBlock示意图

这两种方式，回零方式HomeType由DS-402 Homing中回零方式界定。但回零的本质都是通过伺服驱动器内的GDI程序实现，因此，这种方式也是基于驱动器的回零。

基于Beckhoff PLC的回零

继上篇“Beckhoff PLC在ABB伺服上实现探针功能”之后，Beckhoff PLC又不甘寂寞，拍拍衣襟，迫不及待得闯入大家的眼帘。B&R PLC你先忍忍，对你另有安排！

在Beckhoff TwinCAT中提前配置好伺服轴，让伺服轴能转起来，详情可参考往期视频。关于Beckhoff中三类轴的定义，在此有必要再强调一下。TwinCAT中，共有物理轴，NC轴和PLC轴三种轴概念。物理轴对应伺服驱动器，NC轴不需要编程，它的运算分为轨迹规划、PID运算和IO接口处理。PLC轴即在PLC程序中定义的轴变量。NC轴处于中间位置，提供与PLC轴和物理轴的接口。

图10：TwinCAT轴概念图

本实验软硬件配置与TouchProbe篇相同：

图11：Beckhoff PLC实验配置图

在TwinCAT中需添加TC2_MC2运动控制库。MC_Home功能块包含在这个库里。

具体编程过程不详述，Beckhoff常规的回零通过MC_Home功能块实现的。

图12：MC_Home程序块

Homing Mode: 共有四个取值。标准Homing取值为MC_DefauleHoming，执行标准的回零程序。其它几个取值不会触发回零动作。

bCalibrationCam: 对应零点开关。如果对BeckhoffPLC的话语体系不熟，仅从字面理解，又是校准又是凸轮的，是不是一脸懵？这个信号可对应PLC的一个DI输入, 也可以用程序中定义的一个BOOL变量替代！

BufferMode & Option: 开路即可。

回零需要的很多参数怎么没在这个功能块里出镜？别急，它们在TwinCATSystem Manager NC轴的Parameter标签页下。

图13：回零速度设置

又看到了cam，不过我们已经不用把它理解成凸轮了，理解成啥呢，看上文的bCalibrationCam！Beckhoff的术语是否挺卡人的？别急，后边还有更卡人的。

至此为止，如果编程正常，就可以执行回零了。当然，提前要编程MC_Power,  MC_Reset, MC_STOP等基本功能块。

启动MC_Home后，轴会以3的速度寻找bCalibrationCam，bCalibrationCam ON之后，轴以0.3的速度反转，当bCalibrationCam OFF时，轴停止，回零完成。此时的回零功能，与基于Drive的回零“HOME(0)=2”，完成的功能相同。

功能太弱了吧，这种回零精度不够高，连索引脉冲回零和Latch回零都不能实现吗？

幼稚！在TwinCATSystem Manager的Enc参数的Parameter标签页，有Homing栏。在Homing栏里有个ReferenceMode。刚才实现的功能，只是ReferenceMode取值“Default”时的功能。而Reference Mode 还有很多其他取值，可对应不同的回零功能。

图14：不同回零方式选择

请注意现在深色的”HardwareSync”选项，选中这个值后，伺服回零会在撩bCalibrationCam一个回合以后，继续向前寻找索引脉冲。并在找到索引脉冲后停止，修改当前值，结束回零。“Hardware Sync” 是不是更卡人，Beckhoff老这么定义，是不是有点小傲娇？

再注意一下HardwareLatch1(pos. edge)，选项，这个选项在撩bCalibrationCam一个回合以后，不寻找索引脉冲，而是寻找伺服驱动器上Latch 1的上升沿。（Latch 1对应Microflex e190的DI1）。如选这种方式回零，在物理轴的PDO中，需配置PDO 输入0x60B9和输出0x60B8。是不是很面熟？对，TouchProbe功能也必须要配置这两个PDO。只有这样，Beckhoff PLC 才能捕获驱动器侧的Latch1信号。

以上几种，可满足常规回零需求。

其他几个选项有的支持，有的不支持。毕竟，Beckhoff的软件不是专为ABB伺服驱动器开发，就不进一步详述。

伺服回零高级功能

感觉这几种回零方式也没啥特别的呀？

你还想要啥！

想问一下子，有没有那种感觉特高级，功能很复杂，不明觉厉的！也不一定用，就是想问问…

淘气！针对高级或专家级用户，PLCopen技术委员会的任务小组，专门定义了“Function Blocks formotion control: Part 5 – Homing Procedures”，其中对Homing进行了非常详细的定义和说明。规范中定义了很多Homing的专用功能块，列举如下：

回零分步执行功能块

MC_StepAbsoluteSwitch

MC_StepLimitSwitch

MC_StepBlock

MC_StepReferencePulse

MC_StepDistanceCoded

可运行中执行的功能块

MC_StepReferenceFlyingSwitch

MC_StepReferenceFlyingRefPulse

MC_AbortPassiveHoming

回零流程结束功能块

MC_HomeDirect

MC_HomeAbsolute

MC_FinishHoming

这些功能块可以理解成Homing流程的分解动作，有时一个回零流程需要先后调用几个功能块实现。

针对一些高级应用，BeckhoffPLC也提供了高级的回零功能库TC3_MC2_AdvancedHoming与PLCopen MC Part 5中的功能块相对应。有兴趣的小伙伴可自行研究测试，不再深入讲解！BTW，PLCopen规范都是英语的，其话语体系跟Beckhoff又有很大的不同！

懵了吧，高级不？

草率了！！！

总  结

本文以ABB Microflex e190为实验对象，讲解了完全基于驱动器的回零，通过PLC通讯实现基于GDI程序的DS-402 回零以及BeckhoffPLC通过EtherCAT在伺服上实现回零.

各厂家控制器和伺服，由于软件不同，固件各异，软件的操作方法差别很大。但万变不离其宗，其基本实现原理和常见实现方法是一致的。

本文为前篇“伺服电机的回零”的续篇，以期从原理到操作上对回零有个更全面的认识。