自动化控制软件：Beckhoff TwinCAT二次开发_（5）.运动控制基础

运动控制基础

在自动化控制系统中，运动控制是一个关键环节，它涉及对机械设备的精确控制，以实现预定的运动轨迹和速度。Beckhoff TwinCAT提供了强大的运动控制功能，支持多种运动控制协议和标准，如PLCopen、CANopen、EtherCAT等。本节将详细介绍TwinCAT运动控制的基础原理和技术内容，帮助读者掌握如何在TwinCAT中实现运动控制。

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1. 运动控制的基本概念

1.1 什么是运动控制

运动控制是指通过控制电机或其他执行机构的运动，实现精确的位置、速度和力矩控制。在自动化控制系统中，运动控制通常用于工业机器人、数控机床、包装机械等领域。运动控制的目标是确保设备按照预定的轨迹和速度运行，同时满足精度和稳定性的要求。

1.2 运动控制的主要类型

运动控制主要分为以下几种类型：

点位控制（PTP, Point-to-Point）：控制设备从一个点移动到另一个点，通常用于简单的定位任务。
连续路径控制（CPC, Continuous Path Control）：控制设备沿着预定的路径连续移动，适用于复杂轨迹的控制。
速度控制：控制设备的运动速度，常用于匀速运动或速度调节。
力矩控制：控制电机的输出力矩，适用于需要精确力矩控制的场合。

1.3 运动控制的关键参数

运动控制中常见的关键参数包括：

位置（Position）：设备的当前位置。
速度（Velocity）：设备的当前速度。
加速度（Acceleration）：设备的加速度。
减速度（Deceleration）：设备的减速度。
力矩（Torque）：电机输出的力矩。

这些参数在运动控制中起着至关重要的作用，通过对它们的精确控制，可以实现设备的高效运行。

2. TwinCAT运动控制的功能

2.1 运动控制库（MC Library）

TwinCAT运动控制库提供了一整套运动控制功能，包括位置控制、速度控制、力矩控制等。这些功能通过标准化的函数块实现，方便用户在PLC程序中调用。

2.2 运动控制函数块

TwinCAT运动控制库中包含多种函数块，常用的函数块包括：

MC_MoveAbsolute：绝对位置移动。
MC_MoveRelative：相对位置移动。
MC_MoveVelocity：速度控制。
MC_MoveJog：手动移动。
MC_Halt：停止运动。
MC_Home：回原点。

2.3 运动控制的配置

在TwinCAT中配置运动控制设备包括以下步骤：

创建轴对象：在TwinCAT项目中创建轴对象，配置轴的物理参数和控制参数。
配置运动控制库：将运动控制库添加到项目中，并配置所需的函数块。
编写PLC程序：使用配置好的函数块编写PLC程序，实现运动控制逻辑。

3. 创建轴对象

3.1 轴对象的定义

轴对象是指在TwinCAT中定义的一个运动控制单元，通常代表一个电机或执行机构。轴对象的定义包括以下内容：

轴名称：轴的标识名称。
轴类型：轴的类型，如伺服电机、步进电机等。
轴参数：轴的物理参数和控制参数，如最大速度、加速度、减速率等。

3.2 轴对象的配置步骤

打开TwinCAT项目：启动TwinCAT软件，打开需要配置的项目。
添加轴对象：在项目中添加轴对象，选择合适的轴类型。
配置轴参数：根据设备的实际情况，配置轴的参数。

3.2.1 示例：创建一个伺服电机轴


// 打开TwinCAT项目

打开TwinCAT软件，选择或创建一个项目。



// 添加轴对象

1. 在项目树中选择“Motion Control”节点。

2. 右键点击“Motion Control”节点，选择“Add New Motion Control Device”。

3. 选择“Servo Motor”类型，点击“Next”。

4. 输入轴名称（例如：Axis1），点击“Finish”。



// 配置轴参数

1. 在项目树中选择刚刚创建的轴对象（例如：Axis1）。

2. 双击轴对象，打开轴配置界面。

3. 配置轴的物理参数，如最大速度、加速度、减速率等。

4. 配置轴的控制参数，如PID参数、位置反馈等。

4. 运动控制函数块的使用

4.1 MC_MoveAbsolute函数块

MC_MoveAbsolute函数块用于控制轴移动到一个绝对位置。其主要参数包括：

Axis：需要控制的轴。
Position：目标位置。
Velocity：目标速度。
Acceleration：加速度。
Deceleration：减速度。

4.1.1 示例：控制轴移动到绝对位置


// 在PLC程序中调用MC_MoveAbsolute函数块

1. 打开PLC程序编辑器。

2. 在主程序中添加MC_MoveAbsolute函数块。



// 示例代码

MC_MoveAbsolute(

    Axis := Axis1,          // 指定轴

    Position := 1000,      // 目标位置

    Velocity := 500,       // 目标速度

    Acceleration := 1000,  // 加速度

    Deceleration := 1000,  // 减速度

    Exec := TRUE,          // 执行命令

    Status := AxisStatus   // 状态输出

);

4.2 MC_MoveRelative函数块

MC_MoveRelative函数块用于控制轴从当前位置移动一个相对距离。其主要参数包括：

Axis：需要控制的轴。
Distance：目标距离。
Velocity：目标速度。
Acceleration：加速度。
Deceleration：减速度。

4.2.1 示例：控制轴移动相对距离


// 在PLC程序中调用MC_MoveRelative函数块

1. 打开PLC程序编辑器。

2. 在主程序中添加MC_MoveRelative函数块。



// 示例代码

MC_MoveRelative(

    Axis := Axis1,          // 指定轴

    Distance := 500,       // 目标距离

    Velocity := 300,       // 目标速度

    Acceleration := 800,   // 加速度

    Deceleration := 800,   // 减速度

    Exec := TRUE,          // 执行命令

    Status := AxisStatus   // 状态输出

);

4.3 MC_MoveVelocity函数块

MC_MoveVelocity函数块用于控制轴以恒定速度移动。其主要参数包括：

Axis：需要控制的轴。
Velocity：目标速度。
Acceleration：加速度。
Deceleration：减速度。

4.3.1 示例：控制轴以恒定速度移动


// 在PLC程序中调用MC_MoveVelocity函数块

1. 打开PLC程序编辑器。

2. 在主程序中添加MC_MoveVelocity函数块。



// 示例代码

MC_MoveVelocity(

    Axis := Axis1,          // 指定轴

    Velocity := 400,       // 目标速度

    Acceleration := 1000,  // 加速度

    Deceleration := 1000,  // 减速度

    Exec := TRUE,          // 执行命令

    Status := AxisStatus   // 状态输出

);

4.4 MC_MoveJog函数块

MC_MoveJog函数块用于手动控制轴的移动。其主要参数包括：

Axis：需要控制的轴。
Direction：移动方向（0为停止，1为正向，-1为反向）。
Velocity：目标速度。
Acceleration：加速度。
Deceleration：减速度。

4.4.1 示例：手动控制轴的移动


// 在PLC程序中调用MC_MoveJog函数块

1. 打开PLC程序编辑器。

2. 在主程序中添加MC_MoveJog函数块。



// 示例代码

MC_MoveJog(

    Axis := Axis1,          // 指定轴

    Direction := 1,        // 移动方向（1为正向）

    Velocity := 200,       // 目标速度

    Acceleration := 500,   // 加速度

    Deceleration := 500,   // 减速度

    Exec := TRUE,          // 执行命令

    Status := AxisStatus   // 状态输出

);



// 停止手动移动

MC_MoveJog(

    Axis := Axis1,          // 指定轴

    Direction := 0,        // 移动方向（0为停止）

    Velocity := 200,       // 目标速度

    Acceleration := 500,   // 加速度

    Deceleration := 500,   // 减速度

    Exec := TRUE,          // 执行命令

    Status := AxisStatus   // 状态输出

);

4.5 MC_Halt函数块

MC_Halt函数块用于停止轴的运动。其主要参数包括：

Axis：需要控制的轴。
Exec：执行命令。

4.5.1 示例：停止轴的运动


// 在PLC程序中调用MC_Halt函数块

1. 打开PLC程序编辑器。

2. 在主程序中添加MC_Halt函数块。



// 示例代码

MC_Halt(

    Axis := Axis1,  // 指定轴

    Exec := TRUE,   // 执行命令

    Status := AxisStatus   // 状态输出

);

4.6 MC_Home函数块

MC_Home函数块用于将轴回原点。其主要参数包括：

Axis：需要控制的轴。
HomeMethod：回原点方法。
Velocity：目标速度。
Acceleration：加速度。
Deceleration：减速度。

4.6.1 示例：将轴回原点


// 在PLC程序中调用MC_Home函数块

1. 打开PLC程序编辑器。

2. 在主程序中添加MC_Home函数块。



// 示例代码

MC_Home(

    Axis := Axis1,          // 指定轴

    HomeMethod := 1,        // 回原点方法（1为回原点）

    Velocity := 200,        // 目标速度

    Acceleration := 500,    // 加速度

    Deceleration := 500,    // 减速度

    Exec := TRUE,           // 执行命令

    Status := AxisStatus    // 状态输出

);

5. 运动控制的监测与诊断

5.1 运动状态的监测

在TwinCAT中，可以通过函数块的状态输出参数来监测轴的运动状态。常用的监测参数包括：

Status：轴的当前状态。
Position：轴的当前位置。
Velocity：轴的当前速度。

5.1.1 示例：监测轴的运动状态


// 在PLC程序中监测轴的运动状态

1. 打开PLC程序编辑器。

2. 在主程序中添加监测逻辑。



// 示例代码

IF AxisStatus = 0 THEN

    // 轴处于停止状态

    StatusText := '轴停止';

ELSIF AxisStatus = 1 THEN

    // 轴正在移动

    StatusText := '轴移动中';

ELSE

    // 轴处于其他状态

    StatusText := '轴状态未知';

END_IF;



// 输出轴的当前位置和速度

PositionOutput := Axis1.Position;

VelocityOutput := Axis1.Velocity;

5.2 运动控制的诊断

在TwinCAT中，可以通过诊断功能来检测运动控制系统的故障和异常。常用的诊断方法包括：

错误代码：通过错误代码来判断故障类型。
日志记录：记录运动控制过程中的日志信息，便于故障分析。

5.2.1 示例：诊断轴的故障


// 在PLC程序中诊断轴的故障

1. 打开PLC程序编辑器。

2. 在主程序中添加诊断逻辑。



// 示例代码

IF Axis1.Error THEN

    // 轴发生错误

    ErrorText := '轴发生错误';

    ErrorCode := Axis1.ErrorCode;

    // 记录错误信息到日志

    WriteLog('轴发生错误', ErrorCode);

ELSE

    // 轴正常运行

    ErrorText := '轴正常运行';

END_IF;

6. 运动控制的实际应用

6.1 机床的运动控制

在数控机床中，运动控制主要用于控制刀具的精确运动。通过TwinCAT运动控制库，可以实现多轴联动，确保机床的高效和精确运行。

6.1.1 示例：实现多轴联动


// 在PLC程序中实现多轴联动

1. 打开PLC程序编辑器。

2. 在主程序中添加多轴联动逻辑。



// 示例代码

// 定义两个轴

Axis1 := MC_CreateAxis('Axis1');

Axis2 := MC_CreateAxis('Axis2');



// 配置轴参数

MC_SetAxisParameters(

    Axis := Axis1,

    MaxVelocity := 1000,

    Acceleration := 2000,

    Deceleration := 2000

);



MC_SetAxisParameters(

    Axis := Axis2,

    MaxVelocity := 1000,

    Acceleration := 2000,

    Deceleration := 2000

);



// 同时移动两个轴

MC_MoveAbsolute(

    Axis := Axis1,

    Position := 1000,

    Velocity := 500,

    Acceleration := 1000,

    Deceleration := 1000,

    Exec := TRUE,

    Status := Axis1Status

);



MC_MoveAbsolute(

    Axis := Axis2,

    Position := 500,

    Velocity := 500,

    Acceleration := 1000,

    Deceleration := 1000,

    Exec := TRUE,

    Status := Axis2Status

);



// 监测两个轴的状态

IF Axis1Status = 0 AND Axis2Status = 0 THEN

    // 两个轴均停止

    StatusText := '两个轴均停止';

ELSIF Axis1Status = 1 OR Axis2Status = 1 THEN

    // 至少一个轴正在移动

    StatusText := '轴移动中';

ELSE

    // 轴状态异常

    StatusText := '轴状态异常';

END_IF;

6.2 机器人手臂的运动控制

在工业机器人中，运动控制主要用于控制机器人手臂的精确运动。通过TwinCAT运动控制库，可以实现复杂路径的连续控制，确保机器人手臂的高效运行。

6.2.1 示例：实现机器人手臂的连续路径控制


// 在PLC程序中实现机器人手臂的连续路径控制

1. 打开PLC程序编辑器。

2. 在主程序中添加连续路径控制逻辑。



// 示例代码

// 定义多个轴

Axis1 := MC_CreateAxis('Axis1');

Axis2 := MC_CreateAxis('Axis2');

Axis3 := MC_CreateAxis('Axis3');



// 配置轴参数

MC_SetAxisParameters(

    Axis := Axis1,

    MaxVelocity := 1000,

    Acceleration := 2000,

    Deceleration := 2000

);



MC_SetAxisParameters(

    Axis := Axis2,

    MaxVelocity := 1000,

    Acceleration := 2000,

    Deceleration := 2000

);



MC_SetAxisParameters(

    Axis := Axis3,

    MaxVelocity := 1000,

    Acceleration := 2000,

    Deceleration := 2000

);



// 启动连续路径控制

MC_StartPath(

    Path := Path1,

    Axes := [Axis1, Axis2, Axis3],

    Exec := TRUE,

    Status := PathStatus

);



// 定义路径点

PathPoint1 := MC_CreatePathPoint(

    Position := [1000, 500, 800],

    Velocity := 500,

    Acceleration := 1000,

    Deceleration := 1000

);



PathPoint2 := MC_CreatePathPoint(

    Position := [1500, 700, 1000],

    Velocity := 500,

    Acceleration := 1000,

    Deceleration := 1000

);



// 添加路径点

MC_AddPathPoint(

    Path := Path1,

    Point := PathPoint1,

    Exec := TRUE,

    Status := Point1Status

);



MC_AddPathPoint(

    Path := Path1,

    Point := PathPoint2,

    Exec := TRUE,

    Status := Point2Status

);



// 监测路径状态

IF PathStatus = 0 THEN

    // 路径停止

    StatusText := '路径停止';

ELSIF PathStatus = 1 THEN

    // 路径运行中

    StatusText := '路径运行中';

ELSE

    // 路径状态异常

    StatusText := '路径状态异常';

END_IF;

6.3 包装机械的运动控制

在包装机械中，运动控制主要用于控制传送带、包装机构等设备的精确运动。通过TwinCAT运动控制库，可以实现多个设备的同步控制，确保包装过程的高效和稳定运行。

6.3.1 包装机械的常见运动控制需求

包装机械的运动控制需求通常包括：

传送带的同步控制：确保多个传送带的同步运行，避免货物在传输过程中发生偏移。
包装机构的精确控制：控制包装机构的开合、封口等动作，确保包装的准确性和质量。
高速运动控制：在高速包装过程中，需要精确控制设备的运动速度和加速度，以提高生产效率。

6.3.2 示例：实现传送带的同步控制

假设我们有一个包装机械，包含两条传送带（传送带A和传送带B），需要实现它们的同步控制。以下是具体的实现步骤和示例代码：

创建轴对象：在TwinCAT项目中创建两个轴对象，分别代表传送带A和传送带B。
配置运动控制库：将运动控制库添加到项目中，并配置所需的函数块。
编写PLC程序：使用配置好的函数块编写PLC程序，实现传送带的同步控制。

示例代码


// 打开TwinCAT项目

打开TwinCAT软件，选择或创建一个项目。



// 添加轴对象

1. 在项目树中选择“Motion Control”节点。

2. 右键点击“Motion Control”节点，选择“Add New Motion Control Device”。

3. 选择“Servo Motor”类型，点击“Next”。

4. 输入轴名称（例如：BeltA），点击“Finish”。

5. 重复步骤2-4，创建另一个轴对象（例如：BeltB）。



// 配置轴参数

1. 在项目树中选择刚刚创建的轴对象（例如：BeltA）。

2. 双击轴对象，打开轴配置界面。

3. 配置轴的物理参数，如最大速度、加速度、减速率等。

4. 配置轴的控制参数，如PID参数、位置反馈等。



// 在PLC程序中实现传送带的同步控制

1. 打开PLC程序编辑器。

2. 在主程序中添加同步控制逻辑。



// 示例代码

// 定义两个轴

BeltA := MC_CreateAxis('BeltA');

BeltB := MC_CreateAxis('BeltB');



// 配置轴参数

MC_SetAxisParameters(

    Axis := BeltA,

    MaxVelocity := 1000,

    Acceleration := 2000,

    Deceleration := 2000

);



MC_SetAxisParameters(

    Axis := BeltB,

    MaxVelocity := 1000,

    Acceleration := 2000,

    Deceleration := 2000

);



// 启动同步控制

MC_Sync(

    MasterAxis := BeltA,

    SlaveAxis := BeltB,

    Ratio := 1.0,  // 传送带B的速度是传送带A的1倍

    Offset := 0,  // 传送带B的位置偏移

    Exec := TRUE,

    Status := SyncStatus

);



// 控制传送带A移动到绝对位置

MC_MoveAbsolute(

    Axis := BeltA,

    Position := 1000,

    Velocity := 500,

    Acceleration := 1000,

    Deceleration := 1000,

    Exec := TRUE,

    Status := BeltAStatus

);



// 监测同步状态

IF SyncStatus = 0 THEN

    // 同步停止

    StatusText := '同步停止';

ELSIF SyncStatus = 1 THEN

    // 同步运行中

    StatusText := '同步运行中';

ELSE

    // 同步状态异常

    StatusText := '同步状态异常';

END_IF;



// 监测传送带A的状态

IF BeltAStatus = 0 THEN

    // 传送带A停止

    BeltAStatusText := '传送带A停止';

ELSIF BeltAStatus = 1 THEN

    // 传送带A运行中

    BeltAStatusText := '传送带A运行中';

ELSE

    // 传送带A状态异常

    BeltAStatusText := '传送带A状态异常';

END_IF;

6.4 运动控制的高级应用

6.4.1 交互式运动控制

在某些应用场景中，运动控制需要根据外部信号或传感器数据进行实时调整。TwinCAT提供了丰富的交互功能，可以通过外部信号来控制轴的运动。

示例：根据传感器信号调整传送带速度

假设我们有一个传感器，用于检测传送带上的货物数量。当货物数量超过一定阈值时，需要降低传送带的速度。以下是具体的实现步骤和示例代码：

添加传感器：在TwinCAT项目中添加传感器对象。
编写PLC程序：使用传感器数据来控制传送带的速度。


// 打开TwinCAT项目

打开TwinCAT软件，选择或创建一个项目。



// 添加传感器对象

1. 在项目树中选择“Inputs”节点。

2. 右键点击“Inputs”节点，选择“Add New Input”。

3. 选择传感器类型，点击“Next”。

4. 输入传感器名称（例如：Sensor1），点击“Finish”。



// 在PLC程序中实现速度调整

1. 打开PLC程序编辑器。

2. 在主程序中添加速度调整逻辑。



// 示例代码

// 定义轴和传感器

BeltA := MC_CreateAxis('BeltA');

Sensor1 := ReadSensor('Sensor1');



// 定义速度阈值

Threshold := 10;  // 货物数量阈值



// 根据传感器数据调整传送带速度

IF Sensor1.Value > Threshold THEN

    // 货物数量超过阈值，降低速度

    MC_SetAxisParameters(

        Axis := BeltA,

        MaxVelocity := 500,

        Acceleration := 1000,

        Deceleration := 1000

    );

    StatusText := '降低传送带速度';

ELSE

    // 货物数量低于阈值，恢复速度

    MC_SetAxisParameters(

        Axis := BeltA,

        MaxVelocity := 1000,

        Acceleration := 2000,

        Deceleration := 2000

    );

    StatusText := '恢复传送带速度';

END_IF;



// 控制传送带A移动到绝对位置

MC_MoveAbsolute(

    Axis := BeltA,

    Position := 1000,

    Velocity := BeltA.MaxVelocity,

    Acceleration := 1000,

    Deceleration := 1000,

    Exec := TRUE,

    Status := BeltAStatus

);

6.5 运动控制的优化与调试

在实际应用中，运动控制系统的性能和稳定性需要不断优化和调试。TwinCAT提供了多种调试工具和方法，帮助用户快速诊断和解决问题。

6.5.1 优化运动控制参数

运动控制参数的优化是提高系统性能的关键。常见的优化参数包括：

PID参数：调整PID参数以提高位置控制的精度和稳定性。
加速度和减速度：适当调整加速度和减速度，以减少机械冲击和提高响应速度。
最大速度：根据设备的实际情况，合理设置最大速度，确保系统的高效运行。

示例：优化PID参数


// 在PLC程序中优化PID参数

1. 打开PLC程序编辑器。

2. 在主程序中添加PID参数优化逻辑。



// 示例代码

// 定义轴

BeltA := MC_CreateAxis('BeltA');



// 优化PID参数

MC_SetPIDParameters(

    Axis := BeltA,

    Kp := 1.0,  // 比例增益

    Ki := 0.01, // 积分增益

    Kd := 0.1   // 微分增益

);



// 控制传送带A移动到绝对位置

MC_MoveAbsolute(

    Axis := BeltA,

    Position := 1000,

    Velocity := 500,

    Acceleration := 1000,

    Deceleration := 1000,

    Exec := TRUE,

    Status := BeltAStatus

);



// 监测轴的状态

IF BeltAStatus = 0 THEN

    // 轴停止

    StatusText := '轴停止';

ELSIF BeltAStatus = 1 THEN

    // 轴运行中

    StatusText := '轴运行中';

ELSE

    // 轴状态异常

    StatusText := '轴状态异常';

END_IF;

6.5.2 使用TwinCAT调试工具

TwinCAT提供了多种调试工具，如实时监控、日志记录、故障诊断等，帮助用户快速定位和解决问题。

示例：使用实时监控工具

启动实时监控：在TwinCAT软件中启动实时监控工具。
选择监控变量：选择需要监控的变量，如轴的位置、速度、状态等。
查看监控数据：实时查看监控数据，分析系统的运行情况。


// 在TwinCAT软件中启动实时监控

1. 打开TwinCAT软件。

2. 在“Online”菜单中选择“Online Access”。

3. 选择需要监控的变量（例如：BeltA.Position, BeltA.Velocity, BeltA.Status）。

4. 启动实时监控，查看变量的实时变化。

6.6 总结

通过TwinCAT运动控制库，可以实现多种运动控制功能，如位置控制、速度控制、力矩控制等。无论是简单的点位控制还是复杂的连续路径控制，TwinCAT都能提供强大的支持。在实际应用中，合理配置轴参数、使用函数块和调试工具，可以确保运动控制系统的高效、稳定和精确运行。希望本节的内容能够帮助读者更好地理解TwinCAT运动控制的基础原理和技术内容，为自动化控制系统的开发和维护提供有力支持。