西门子运动控制器SIMOTION收放卷应用介绍

1、SIMOTION D Winder 包应用介绍于长波摘要：SIMOTION提供了一个可以应用于大部分开卷曲功能的应用包，其中包含了多种控制方式，多种卷径计算方法以及张力锥度、断带检测等功能。但全面的同时带来了应用结构复杂、参数众多等问题。 本文根据以往的调试经验对Winder包的应用进行一下应用介绍，分为卷曲的基本原理、控制方式、程序结构、应用步骤四个部分。关键词：SIMOTION 开卷曲 1 .开卷曲的基本原理开卷曲的控制要求可以概括为通过控制电机的转矩来控制材料上的张力，使张力不变或按照一定的曲线减小（即张力锥度）。从电机转矩到材料张力，这之间存在以下影响因素。首先就是卷径，这是开卷曲控制

2、最重要的一个参数，对其要求就是“稳”和“准”。卷径计算可以大致分为速比法、厚度累积法和外部测量法。速比法是检测同一时刻下卷轴的转速和材料的线速度，两者相除即得到直径，这种方法实时性好，但稳定性欠佳。在此基础上衍生出积分法和位置计算法，两者就是将一定时间内卷轴的角度位移与材料的位移相除，然后按一定的斜坡输出。区别在于积分法是用速度的积分得到角度位移和材料位移，而位置计算法是直接取轴的位置值做计算。这种方法稳定性好，实时性与直径计算的更新周期有关。厚度累积法是根据卷轴的圈数和材料的厚度计算的一种方法，即卷轴每转一圈直径增加2倍的材料厚度，然后按照一定的斜坡输出。这种方法稳定性非常好，但准确性与材料

3、厚度的准确性有很大关系，这里所说的材料厚度并不是指材料本身的实际厚度，而是材料的实际厚度加上材料之间缝隙的厚度，即与松紧度有关。外部测量法就是用传感器直接测量卷轴的实际直径，可分为接触式和非接触式，常见的接触式传感器有编码器和位移传感器，非接触测量传感器有激光、微波等。由于测量数值与实际的直径可能是非线性的，所以要对测量值做非线性处理。其次是对转矩的补偿，主要是加减速补偿和摩擦补偿。加减速补偿指的是当材料在加速或减速时电机要提供额外的转矩对卷轴进行加减速，其大小与开卷曲机械系统的转动惯量和加减速度有关；其方向与工作方式（是开卷还是收卷）和出料方向（材料是在卷轴的上方还是下方）有关。机械系统的转

4、动惯量包括电机的转动惯量、减速机的转动惯量、卷轴的转动惯量和材料的转动惯量，除了材料的转动惯量外其他对象的转动惯量在工作过程中是不变的，我们可以称为固定的转动惯量。材料的转动惯量取决于材料的密度、宽度和直径，由于在工作过程中直径是一直变化的，所以这部分转动惯量可以称为变化的转动惯量。另外材料的密度也不是指材料本身的密度，也要考虑材料之间的缝隙。最后是摩擦补偿，指的是机械系统的摩擦，摩擦转矩与转速有关，一般会随转速的升高而加大，其方向与电机的实际转动方向相同。此外，有些时候需要考虑材料在开卷曲时由于形变而需要的额外转矩，如一些比较厚的金属板等。（Simotion Winder 包没有提供相关的补

5、偿，需要在设定张力上自己做补偿）2. Simotion Winder 包提供的开卷曲控制方式Simotion Winder 包提供的控制方式大体可分为三类：间接张力控制、张力闭环控制和恒速控制。其中张力闭环控制按张力反馈的不同可分为张力传感器闭环控制和跳舞辊闭环控制，同时按控制电机转矩的方式不同又可分为转矩限幅控制和速度调整控制。所以Simotion Winder包中提供六种开卷曲控制方式，见下图。控制电机的转矩可以有两种方式，即调整速度和转矩限幅。转矩限幅的方式是使速度环饱和电机处于转矩限幅的状态，通过直接调整转矩限幅值来控制电机的输出转矩。速度调整的方式是使速度环不饱和，电机处于正常运行的

6、状态。调整速度给定后由于材料的耦合实际速度没有改变，而使速度环的积分部分相应调整，进而调整电机的输出转矩。但这种调整方式只能用于张力闭环的控制。为了更好的解释这种调整方式，以收卷为例描述一下调整的过程。实际张力比设定张力小-张力PID输出一个正附加速度-实际速度不变使速度环积分增加-电机输出转矩增加-实际张力增加-张力PID输出减小-实际张力与设定张力相等-张力PID输出为零间接张力控制闭环张力控制带张力传感器闭环控制跳舞辊 闭环控制通过速度调整跳舞辊 闭环控制通过速度调整带张力传感器闭环控制通过转矩限幅跳舞辊 闭环控制通过转矩限幅带张力传感器闭环控制恒速控制2.1 间接张力控制间接张力控制是

7、一种对张力的开环控制，也是闭环张力控制的基础。这种控制方式是通过速度饱和转矩限幅来控制电机的转矩。通过在材料的线速度上附加一个给定的线速度（velocity override这里称为饱和速度），使卷曲轴的速度环饱和。即开卷时减去附加线速度，使材料的线速度大于卷曲的线速度；收卷时加上附加线速度，使材料的线速度小于卷曲的线速度。设定的张力、当前直径和加减速转矩等因素计算得出电机的转矩，并做为电机转矩的限幅值，同时计算的转矩给到开卷曲电机的转矩预控上，使卷曲轴快速达到转矩限幅。功能图如下：饱和速度转矩限幅张力给定转矩预控2.2 张力闭环控制张力闭环控制是在间接张力控制的基础上增加一个张力反馈，与张力

8、给定经PID控制器输出调整信号。如果采用“转矩限幅”的方式控制张力，则PID输出附加到转矩预控和转矩限幅上。如果采用“速度调整”的方式控制张力，则PID的输出附加到速度给定上。同时饱和速度设为零。因为“速度调整模式”下卷曲轴的速度环不是饱和的，而是通过附加一定的速度来调整电机的转矩。与间接张力控制相比，张力闭环控制可以通过PID调整消除张力误差。误差来自以下几个方面：直径计算不准。如采用厚度累加法时，由于厚度值不准确而产生累积误差。摩擦测量不准。系统的摩擦受很多情况影响，如润滑、保养等。转动惯量不准。材料的转动惯量受材料的密度影响最大，而减速机和卷筒的转动惯量无论是计算得出还是测量得出都可能有

9、一定的误差。功能图如下：PID控制器张力反馈2.3 跳舞辊闭环控制控制上与张力闭环控制相似，只不过张力的反馈是通过跳舞辊以位置的形式表达。位置设定值一般设定在50%左右，即保证跳舞辊在整个活动空间的中间上下波动，这样系统会有一定的缓冲。张力的给定通常通过一个比例阀控制的汽缸向跳舞辊施加一个压力来实现。F：材料张力；a：角度；G：跳舞辊重力；P：向跳舞辊施加的压力；F= G+P2 cosa2比例阀的模拟量给定与跳舞辊的压力P之间的影响因数有系统的气压以及汽缸的缸径。当改变张力时，可将张力以附加转矩的形式通过张力设定值给到开卷曲轴上，使张力改变时系统可以快速的达到平衡，减少PID调节时间。功能图如

10、下：位置反馈位置PID控制器2.4 恒速控制恒速控制将材料的给定速度作为收放卷的给定速度，材料上的张力靠一个夹紧机构产生。这种控制方式只控制收放卷的速度，张力的大小取决于夹紧机构产生的摩擦力。功能图如下：夹紧摩擦机构材料线速度检测收放卷速度给定3. WINDER 程序包的结构程序包括一个功能块FBWinder和一个结构sWinderConfig。FBWinder功能块中又调用了其他几个功能块，sWinderConfig结构中又包含了其他几个结构。具体如下：3.1 FBWinder 输入接口说明参数名称数据类型描述enableBOOLFALSE：功能块不执行； TRUE：程序与轴的接口打开，执行

11、开卷曲数据计算，如果数据计算有错，则中断计算并给出对应故障代码。更改数据后需再次检测上升沿后才能执行计算。winderAxisANYOBJECT开卷曲轴（速度轴或位置轴）； 如果采用转矩限幅，需要激活轴的工艺数据； 开卷曲轴只能为实轴。lineAxis ANYOBJECT线性轴（速度轴或位置轴或外部编码器） 如果没有一个工艺对象与之对应，可以通过给定以下变量来实现功能。 sWinderConfig.lineSpeed：材料的线速度； sWinderConfig.lineAcceleration：材料的线加速度； sWinderConfig.lineFeedback：材料的位置；（只在采用基于位

12、置的卷径计算方法时用） 线性轴可以为实轴也可以为虚轴，但必须为线性轴。controlModeeControlMode Type 选择开卷曲的控制方式： INDIRECT_TENSION_CONTROL:间接张力控制； DANCER_CONTROL_SPEED_SETPOINT_ ADAPTION:通过速度调整跳舞辊闭环控制； DANCER_CONTROL_TORQUE_LIMITING: 通过转矩限幅跳舞辊闭环控制； TENSION_CONTROL_SPEED_SETPOINT_ADAPTION:通过速度调节张力传感器闭环控制； TENSION_CONTROL_TORQUE_LIMITING:

13、通过转矩限幅张力传感器闭环控制； CONSTANT_V_CONTROL:恒速控制。typeOfWinder eWindingMode Type 开卷曲模式： UNWIND_FROM_ABOVE：上开卷； UNWIND_FROM_BELOW: 下开卷； REWIND_FROM_ABOVE: 上收卷； REWIND_FROM_BELOW: 下收卷； 只有在enable = FALSE 或 轴停止且 ctrlEnable = FALSE ctrlBusy = FALSE时才能更改此参数。参数名称数据类型描述typeOfWinder eWindingMode Type 开卷曲模式： UNWIND_FR

14、OM_ABOVE：上开卷； UNWIND_FROM_BELOW: 下开卷； REWIND_FROM_ABOVE: 上收卷； REWIND_FROM_BELOW: 下收卷； 只有在enable = FALSE 或 轴停止且 ctrlEnable = FALSE ctrlBusy = FALSE时才能更改此参数。Taskmode eTaskName Type 功能块的执行周期： SERVO_SYNCHRONOUS_TASK:伺服周期； IPO_SYNCHRONOUS_TASK: 插补周期； IPO_SYNCHRONOUS_TASK_2: 插补周期2； TIMER_INTERRUPT_TASK: 时

15、间中断。selectDiamMode eDiamMode Type 卷径计算方式选择： DIAM_CALC：V/F速比法； DIAM_CALC_INTEGRAL：积分法； DIAM_CALC_POSITION：位置计算法； DIAM_THICKNESS_ADDITION：厚度累加法； DIAM_EXT：外部测量法。tensionTaperMode eTaperChar ModeType 张力锥度方式： TAP_CHAR_NO_TAPER：无锥度； TAP_CHAR_LINEAR：线性锥度； TAP_CHAR_HYPERBOLIC_1：双曲线1锥度； TAP_CHAR_HYPERBOLIC_2：

16、双曲线2锥度； TAP_CHAR_TABLE：用表格自定义锥度。 FBModeeWinder FBModeType 功能块的操作模式： AXIS_CONTROL：轴控制，控制数据后直接控制开卷曲轴； NO_AXIS_CONTROL：非轴控制，只计算出控制数据但不控制开卷曲轴，可另外编程将控制数据给到开卷曲驱动。ctrlEnable BOOLFALSE：不激活开卷曲操作； TRUE：激活开卷曲操作，可用于控制建张； setDiamCalc BOOL TRUE：设定当前卷径值。 只有在enable = FALSE 或 轴停止且 ctrlEnable = FALSE ctrlBusy = FALSE

17、时才能更改此参数。参数名称数据类型描述holdDiamCalc BOOL TRUE：当前卷径锁定。卷径计算的值保持不变。blockPIDCorrectionBOOL TRUE：PID控制器输出不附加到速度/转矩给定上。即PID控制器不参与调整。 FALSE：PID控制器输出附加到速度/转矩给定上。即PID控制器参与调整。tensionSetpointREAL张力设定值。 转矩限幅张力反馈闭环控制：张力设定值作为PID控制器的给定值和附加转矩； 间接张力控制和跳舞辊闭环控制：张力设定值作为附加转矩； positionSetpoint REAL位置设定值。 只在跳舞辊控制下有效，作为PID控制器的

18、给定值。lineSpeedActValue LREAL材料线速度。 只在恒速控制下使用。diamExtVal REAL卷径测量值。 只在卷径计算为外部测量（DIAM_EXT）时使用。diamSetVal REAL卷径设定值。actValuePIDREALPID控制器实际值。3.2 FBWinder 输入输出接口说明参数名称数据类型描述LatchDiamCalcREAL卷径存储值，需要连接一个掉电保持的变量。 当发生设备断电、断带、卷径计算错误等情况时保存当前卷径值。sWinderConfigsWinder ConfigType 开卷曲控制数据结构。3.3 FBWinder 输出接口说明参数名称

19、数据类型描述busyBOOL FALSE：功能块没有激活； TRUE：功能块激活。active BOOL FALSE：开卷曲没有激活； TRUE：开卷曲激活，速度、转矩设定值写到轴的给定值中。ctrlBusy BOOL FALSE：工艺控制器没有激活； TRUE：工艺控制器激活，驱动开始建张。error BOOL FALSE：功能块没有故障； TRUE：功能块执行出现故障。errorId DWORD故障代码，Winder手册中有响应代码对应的故障信息。kpAdaptionRatio WORD速度控制器KP调节比例值。4000H = 100%diameter REAL当前卷径参数名称数据类型描述

20、diameterFactorREAL卷径因数，即当前收放卷周长的倒数，用于转换开卷曲的线速度和角速度。velocity REAL开卷曲轴的给定角速度。additiveVelocityREAL开卷曲轴的附加线速度。包括饱和速度（通过转矩限幅控制张力）和PID输出（通过速度调节控制张力方式）controllerOutputREALPID控制器输出。（值为转矩或线速度，分别对应转矩限幅方式和速度调节方式）additiveTorque REAL开卷曲轴的附加转矩。additiveTorqueActiveBOOL FALSE：不计算附加转矩； TRUE：计算附加转矩。torqueLimitNegativ

21、e LREAL转矩限幅下限值torqueLimitNegative Active BOOL FALSE：不计算转矩限幅下限值； TRUE：不计算转矩限幅下限值。torqueLimitPositiveLREAL转矩限幅上限值torqueLimitPositive Active BOOL FALSE：不计算转矩限幅上限值； TRUE：不计算转矩限幅上限值。webBreakBOOL FALSE：无断带信号； TRUE：断带检测信号激活。4. 应用步骤4.1 集成库文件开卷曲的控制程序和数据结构是以库文件形式提供给用户的，库文件的名称为“LConLib”，文件类型为“XML”。将库文件集成到自己的项目

22、中有两种方法：拷贝例程中的库到自己的项目中，或者在自己的项目中导入库文件。库文件及例程都在SCOUT软件的安装文件中。目录为：SCOUT4 .4_HF2SCOUTDVD1Utilities_ApplicationssrcApplicationsConverting_Winder4.2建变量要建三个基本的变量：开卷曲功能块，数据类型为FBWinder，全局变量；开卷曲结构，数据类型为sWinderConfigType，全局变量；卷径锁存值，数据类型为REAL，掉电保持型全局变量。建立变量之前要连接库文件LconLib。ST和LAD两种语言例程如下：其中的“fbWinderControl和gsWi

23、nderConfig”为例程中的变量名称，在之后的内容中涉及变量时都采用这个变量名称。4.3 建卷曲轴和线性轴4.3.1卷曲轴卷曲轴可以为速度轴也可以为位置轴，但如果卷径计算采用位置计算法，则卷曲轴要设为位置轴，并且为旋转轴。卷曲轴必须为一个实轴。建立好轴后要查看轴的速度单位，并且在程序中指定单位。l 如果卷曲轴为速度轴，并且轴的属性中显示的单位如下：则在初始化程序中将卷曲轴的单位设定为rpm，程序如下：gsWinderConfig . eUnitWinderAxisVelocity := RPM ;因为卷曲轴类型为位置轴中的旋转轴，所以要看角度的速度，而不是speed。另外注意操作系统的语言

24、，如果是中文，则此处会显示“？/s”。l 如果卷曲轴为位置轴，并且轴的属性中显示的单位如下：则在初始化程序中将卷曲轴的单位设定为/s，程序如下：gsWinderConfig . eUnitWinderAxisVelocity := DEG_S ;4.3.2 线性轴线性轴可以为速度轴，也可以为位置轴，如果设定为速度轴则需要在程序中设定线性轴的直径，以便系统计算处线性轴的线速度和线加速度。线性轴可以为一个实轴，也可以为一个外部编码器或一个虚轴。建立好线性轴后要查看轴的线速度单位和线加速度单位，并且在程序中指定单位。l 如果线性轴为速度轴，并且轴的属性中显示的单位如下：首先要通过设定你的线性轴的直径

25、来确定你的长度单位。例如你的线性轴的直径为170mm，如果想要把长度单位设为“米”，则程序如下：gsWinderConfig . r32LineAxisDiameter ：= 0.17;因为线性轴已经设置为速度轴，所以轴的速度单位要选择rpm，从而确定线性轴的单位为M/Min，程序如下：gsWinderConfig . eUnitLineAxisVelocity := M_MIN ;因为轴属性中的加速度为1/s2，所以线性轴的线加速度单位为M/s2，程序如下：gsWinderConfig . eUnitLineAxisAcceleration := M_S2 ;l 如果线性轴为位置轴或外部编码

26、器（无需在程序中设定线性轴的直径，要在轴的机械参数中输入周长），并且轴或编码器的属性中显示的单位如下：则线性轴的线速度单位为M/s，线加速度单位为M/s2，程序如下：gsWinderConfig . eUnitLineAxisVelocity := M_S;gsWinderConfig . eUnitLineAxisAcceleration := M_S2 ;4.4 加减速转矩补偿加减速转矩补偿就是要给功能块指定整个开卷曲机构的转动惯量，系统的转动惯量分为恒转动惯量部分和变转动惯量部分。恒转动惯量部分在程序中分为电机的转动惯量、减速机的转动惯量和空卷轴的转动惯量。变转动惯量部分指的是材料的转动

27、惯量，由功能块通过材料的卷径、密度和宽度来计算。4.4.1 恒转动惯量部分恒转动惯量最好有机械设计人员给出，如果给不出准确的数据，就要用驱动中的“旋转测量”功能将转动惯量测出来。具体如下：首先激活开卷曲驱动的“旋转测量”，选择“带编码器的旋转测量”。 用驱动的 “控制面板”启动开卷曲电机，得到以下结果：其中p341为电机模型计算时得出的电机转动惯量。P342为折算到电机上系统的转动惯量与电机转动惯量的比值。由于用测量的方法区分不了减速机的转动惯量和卷轴的转动惯量，所以在实际应用中我们把减速机的转动惯量算到卷轴的转动惯量中，而将程序中减速机的转动惯量设为零。卷轴的转动惯量 J=p324-1*p3

28、41*n2 （ 其中n为减速比）假设减速比为99.13，则程序如下：gsWinderConfig.sMomentConfig.r32GearRatio := 99.13;gsWinderConfig.sMomentConfig.r32JMot := 3.6547 ；gsWinderConfig. sMomentConfig.r32JFix :=0.0 ;gsWinderConfig.sMomentConfig.r32JMandrel :=22477.7;4.4.2 变转动惯量部分变转动惯量部分需要设定材料的密度和宽度，假设材料的密度为7900 Kg/M3，宽度为1.3M，则程序如下：gsWin

29、derConfig .sMomentConfig.eMaterialType := USER_DEFINED;gsWinderConfig .sMomentConfig.r32Density :=7900.0;gsWinderConfig .sMomentConfig.r32Width :=1.3;4.5 摩擦补偿摩擦补偿指的是对电机和折算到电机上的传动系统摩擦转矩进行补偿，一般摩擦转矩会随着转速的增加而增加。由于机械设计上很难给出数据，所以要通过驱动系统中的“摩擦特性”功能进行测量。摩擦测量需要设定10个依次增加的速度值，系统会从小到大将电机运行到最大转速，并测量各个点的摩擦转矩。将转速和摩

30、擦转矩相对应的填写到程序中，开卷曲功能块就会通过多项式计算出各个速度下的摩擦转矩。程序中最多可以设定20个点，如果想要更加精确的对摩擦转矩进线补偿，可以做两次摩擦测量，将两次的速度值平均分开。总之测量的数据越多补偿的就越精确。最好先确定电机的最高转速，即在线速度最大并且卷径最小时电机的转速，把这个转速作为摩擦测量的最大转速，这样可以使得到的数据全部有效。（如：在线速度最大且卷径最小时电机的转速为1800rpm，但如果测量时将最大速度设置为2500rpm，则18002500范围内的数据功能块就用不上）具体如下：输入速度值，然后启动电机。测量完成后自动停止，并得出数据。第二个选项卡中激活摩擦补偿。

31、在功能Functions目录下找到“摩擦特性”。 在程序中填写数据时要注意，程序中的速度指的是开卷曲轴的转速，而测量中输入的是电机的转速，所以要将测量中的转速除以减速比，并先指定数据的数量。程序如下：gsWinderConfig.sMomentConfig.u16FrictionCurveEntryNum := 10; gsWinderConfig.sMomentConfig.ar32FrictionCurveAbscissa0 := 100.0 /99.13; gsWinderConfig.sMomentConfig.ar32FrictionCurveAbscissa1 := 150.0/9

32、9.13; gsWinderConfig.sMomentConfig.ar32FrictionCurveAbscissa2 := 222.0/99.13; gsWinderConfig.sMomentConfig.ar32FrictionCurveAbscissa3 := 333.0/99.13; gsWinderConfig.sMomentConfig.ar32FrictionCurveAbscissa4 := 396.73/99.13; gsWinderConfig.sMomentConfig.ar32FrictionCurveAbscissa5 := 693.36/99.13; gsWi

33、nderConfig.sMomentConfig.ar32FrictionCurveAbscissa6 := 990.0/99.13; gsWinderConfig.sMomentConfig.ar32FrictionCurveAbscissa7 := 1326.73/99.13; gsWinderConfig.sMomentConfig.ar32FrictionCurveAbscissa8 := 1663.37/99.13; gsWinderConfig.sMomentConfig.ar32FrictionCurveAbscissa9 := 2000.0/99.13; gsWinderCon

34、fig.sMomentConfig.ar32FrictionCurveOrdinate0 := 12.8; gsWinderConfig.sMomentConfig.ar32FrictionCurveOrdinate1 := 13.68; gsWinderConfig.sMomentConfig.ar32FrictionCurveOrdinate2 := 15.0; gsWinderConfig.sMomentConfig.ar32FrictionCurveOrdinate3 := 18.04; gsWinderConfig.sMomentConfig.ar32FrictionCurveOrd

35、inate4 := 18.17; gsWinderConfig.sMomentConfig.ar32FrictionCurveOrdinate5 := 22.04; gsWinderConfig.sMomentConfig.ar32FrictionCurveOrdinate6 := 22.17; gsWinderConfig.sMomentConfig.ar32FrictionCurveOrdinate7 := 22.39; gsWinderConfig.sMomentConfig.ar32FrictionCurveOrdinate8 := 25.16; gsWinderConfig.sMomentConfig.ar32FrictionCurveOrdinate9 := 26.95;4.6 开卷曲驱动中的设置4.6.1 取消堵转检测在开卷曲工作过程中，电机始终处于堵转状态，所以要取消驱动系统的堵转检测。我们可以通过设置参数p2144为1来取消检测。4.6.2 扩展报文轴的属性中Configuration选项卡，Functions选项，点击“Change”按钮如果采用转矩限幅的方式来控制转矩，就要激活轴的工艺数据来添加报文。添加的报文用于通过轴的命令给定驱动的转矩限幅上下限和附加转矩以及读取实际的转矩值。所以激活了工艺数据后在轴的数据中会增加转矩的数据，但要注意的是这个