教材(二)第1章 TwinCAT NC PTP系统概述

为了便于搜索，计划把4本教材中的内容按章节陆续发布出来，此处仅供索引查询。由于正文太长，这里仅提供目录和章节的PDF链接。同一章节多次群发，以最后一次为准。

本章内容：

TwinCAT NC PTP原理和功能概述

TwinCAT PLC 与NC的关系

PLC控制伺服与NC的区别

术语：开环闭环、虚轴实轴

NC轴的接口类型

运动控制的任务周期

TwinCAT NC的配置和调试界面简介

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1        TwinCAT NC PTP系统概述

全文共8页，可以手机阅读：

http://www.baclizzy.com.cn/97TutorialA5/02NcPtp/Ch01/0100NcPtpOverview.pdf

1.1        TwinCAT NC与PLC的关系

1) PLC轴

2) NC轴

3) 物理轴

1.2        PLC控制伺服与NC的区别

1) 使用PLC控制时

2) 使用NC控制时

1.3        开环、闭环、半闭环

1.4        虚轴、实轴和编码器轴

1) 实轴

2) 虚轴

3) 编码器轴

1.5        TwinCAT NC轴的类型和数量

1) 总线接口

2) 紧凑型驱动模块

3) 高速脉冲接口

4) 模拟量控制

1.6        TwinCAT NC任务的周期

1.7        TwinCAT NC PTP的配置和调试

1.7.1 运动控制的综合配置

1.7.2 NC轴的调试界面

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全文4000字，阅读约需10分钟

1        TwinCAT NC PTP系统概述

TwinCAT NC PTP是Beckhoff公司的运动控制软件的名称，从字面来看，TwinCAT 是“The Windows Control and Automation Technology”的缩写，即基于Windows操作系统的自动化控制技术，而NC PTP是“Numerical Control Point To Point”的缩写，NC（Numerical Control）是自控领域的一个专业术语，类似MC（Motion Control）,也指运动控制，NC PTP就是点对点的运动控制。

TwinCAT NC是基于PC的纯软件的运动控制，它的功能与传统的运动控制模块、运动控制卡类似。由于TwinCAT NC与PLC运行在同一个CPU上，运动控制和逻辑控制之间的数据交换更直接、快速，因此TwinCAT NC比传统的运动控制器更加灵活和强大。TWINCAT NC的另一个特点是完全独立于硬件，用户可以选择不同厂家的驱动器和电机，而控制程序不变。程序的运动控制指令集遵循PLC OPEN组织关于运动控制功能块的定义规范V1.0和V2.0。

TwinCAT NC有PTP和NC I两个级别，PTP即点对点控制方式，可控制单轴定位或者定速，也可以实现两轴之间的电子齿轮、电子凸轮同步。在此基础上，Beckhoff还提供Dancer Control（张力控制）、Flying Saw（飞锯）、FIFO（先入先出）等多轴联动方式。此外，用户还可以在PLC程序中编写位置发生器，每个PLC周期都计算目标位置、速度和加速度，并发送给TwinCAT NC去执行。

TwinCAT NC I 除了能够实现TwinCAT NC PTP的所有功能之外，还可以执行G代码，实现多轴之间的直线、圆弧和空间螺旋插补。NC I 部分请参阅 教材（三）《TwinCAT NC I插补运动入门》。

在本书中仅讨论TwinCAT NC PTP的原理和应用。 

1.1        TwinCAT NC与PLC的关系

TwinCAT NC PTP把一个电机的运动控制分为三层：PLC轴、NC轴和物理轴。

PLC程序中定义的轴变量，叫做PLC轴。在NC配置界面定义的AXIS，叫做NC轴，在IO配置中扫描或者添加的运动执行和位置反馈的硬件，叫做物理轴。它们的关系如图所示：



由图可见，PLC程序直接读写所指示灯、传感器连接的输入模块和输出模块的Input和Output变量, 就可以控制这些普通的IO设备。而PLC程序控制伺服电机时，必须经过运动控制器（即TwinCAT NC）：PLC轴发指令给NC轴；NC经过换算再发指令给伺服驱动器。

1)        PLC轴

PLC轴的控制，是指PLC程序中调用运动控制库的功能块，控制NC轴。详见第4、5章。运动控制库的功能块，其控制对象的接口为特定的类型，即PLC轴。比如，在TcMc2.lib中规定所有Motion Control的功能块，被控对象类型都为“Axis_Ref”。从PLC轴的NC轴的对应关系必须手动配置，否则，操作该PLC轴的Motion Control的功能不会有任何作用。

2)        NC轴

NC轴的功能分为轨迹规划、控制和IO接口处理。

轨迹规划，是指SetPointGenerator，即NC接收到PLC的运动指令后，根据加减速度特性，计算出每个NC周期（比如：2ms）伺服轴的设定位置、设定速度和设定加速度。

控制（Controller），是指当伺服驱动器工作在CSV（周期同步速度模式），或者驱动模块没有CSP（周期同步位置模式）时，需要在TwinCAT NC中实现位置环的PID运算。这个功能不是必须的，当伺服本身工作在CSP模式时，NC中的Controller就不调节了。

IO接口处理，是指根据轴的驱动和反馈类型以及脉冲当量等参数设置，将SetPointGenerator的输出换算成控制驱动器的Process Data。

轨迹规划与驱动器硬件无关，IO接口处理随反馈类型和驱动器的接口不同而不同。这些运算都在后台进行，用户只需要进行参数设置。这些参数由TwinCAT System Manager配置文件初始化，可以在PLC程序中通过ADS指令修改。

3)         物理轴

物理轴包含两个部分：反馈（Feedback）和驱动（Drive）。TwinCAT NC支持多种硬件接口类型，不同类型的物理轴，NC在做硬件接口处理时会有一些特定的设置。

物理轴的配置，主是要驱动器的设置。在驱动器中，要配置好正确型号的电机、编码器、电子齿轮比，还要调整位置环、速度环、电流环的PID参数。如果是总线接口，还要设置好接口变量和通讯参数。

1.2        PLC控制伺服与NC的区别

实际上，脱离TwinCAT NC，只用TwinCAT PLC也可以控制伺服驱动器和电机。区别在于：

1)        使用PLC控制时

        如果电机既要定位又要定速，那么伺服驱动器必须工作在位置模式下。如果是模拟量控制伺服驱动器要实现位置控制，必须在PLC中自行编写位置环的PID算法。

        PLC向伺服发送启动命令之后，就只能等待其执行成功或者失败的结果。必须在驱动器预设速度和加速度，运动触发后就不能再修改。

        要编写PLC代码实现接口变量的处理，比如单位换算、位置过零处理等，不同接口和伺服驱动器，相应的PLC代码也不同。

        多轴联动实现困难，或者需要在特殊的硬件支持，并在伺服驱动器中设置或者编程。

        用于简单的单轴定位或者定速运动。

2)        使用NC控制时

        伺服驱动器工作在Cyclic Position或者Cyclic Velocity模式下，NC都可以控制电机做定位或者定速运动。

        运动过程中也可以修改速度或者加速度，甚至中断当前的运动触发其它动作，控制更加灵活。

        NC处理与硬件接口相关的运算，比如单位换算、位置过零处理等，不同的伺服驱动器PLC程序可以相同。

        方便地实现多轴联动，无须在伺服驱动器内部特别设置或者编程，所以硬件的互换性较强，维护简便。

        适用于所有控制“点对点运动”的场合。

1.3        开环、闭环、半闭环

TwinCAT NC支持开环、闭环、半闭环的控制方式。

半闭环控制：位置环和速度环的位置反馈信号都使用伺服电机自带的位置反馈装置，比如编码器或者旋转变压器，这叫半闭环控制。这是控制伺服电机是最常用的方式。

全闭环控制：在精度要求高的场合，会根据工艺另装一个编码器或者光栅尺作为位置环的位置反馈，这就叫全闭环控制。

开环控制：没有物理的位置反馈信号，由运动控制器根据自身发出的Drive控制信号经过运算得到理论的位置值。通常以脉冲方式控制步进电机、或者伺服驱动器时，就采用开环控制，不再加装位置反馈装置。此时如果发生脉冲丢失，控制器计算的理论位置和电机的实际位置就会有偏差，所以这种方式只用于动态特性要求不高的场合。

1.4        虚轴、实轴和编码器轴

TwinCAT NC支持实轴、虚轴和半虚半实即编码器轴。

1)        实轴

实轴，就是对应伺服或者步进驱动器的NC轴。NC轴一定要关联到物理轴，才能控制电机动作。所以1电机对应1个实轴。实轴必须包括驱动部分（drive）和反馈部分（enc）。

2)        虚轴

虚轴，就是不对应任何硬件的NC轴。在TwinCAT NC中新建一个轴，不做任何设置，默认就是虚轴。由于PLC中的运动控制程序并不区分虚轴和实轴，所以虚轴可以用来脱离电机调试PLC程序。

另外，与几何学中的辅助线类似，运动控制中也可以使用虚轴做为“辅助轴”，以简化控制算法。比如两个实轴需要耦合运动时，可以令二者都耦合到一个虚轴，运动更加平稳。还有的时候一个实轴要实现复杂的运动，就可以使用多个虚轴的简单运动迭加成一个复杂的实轴运动。

3)        编码器轴

编码器轴（Encoder Axis）只有位置反馈装置而没有驱动装置。TwinCAT NC不能控制编码器轴的动作。设置好脉冲当量等参数后，TwinCAT NC会自动换算并累加成用户单位的位置并送到PLC。

编码器轴可以作为主轴，其它NC轴作为凸轮或者齿轮从轴耦合到编码器轴运动。

1.5        TwinCAT NC轴的类型和数量

和传统的硬件运动控制器和运动控制卡不同，TwinCAT NC PTP是纯软件的运动控制。理论上，最多可以驱动255个伺服轴。在实际应用中，一个EPC或者PC上运行的TwinCAT NC PTP软件能够控制的伺服轴数量，与PC或者EPC的CPU速度、内存以及NC任务的周期有关。

对于实际项目中一个控制器能够带多少个轴的问题，请参考：

TwinCAT控制任务的CPU耗时统计与分析

TwinCAT NC支持多种伺服轴类型，包括：

1)        总线接口

总线接口，又称数字接口，比如Sercos，CanOpen（DS402），Lightbus等。由不同厂家生产的同一种总线协议的伺服驱动器，在TwinCAT NC中视作同一种驱动器。值得一提的是，对于EtherCAT接口的驱动器，其协议层通常使用CanOpen，或者Sercos。在TwinCAT NC中，EtherCAT接口CanOpen协议的驱动器，与CanOpen接口CanOpen协议的驱动器，都视作同一种驱动器。同理，EtherCAT接口Sercos协议的驱动器，与Sercos光纤接口Sercos协议的驱动器，也视作同一种驱动器。

2)        紧凑型驱动模块

这里主要是指Beckhoff公司的步进电机驱动模块KL2531/2541、EL7031/7041，伺服电机驱动模块EL7201等等。

3)        高速脉冲接口

TwinCAT NC通过控制脉冲输出模块KL/EL2521的输出频率，控制伺服驱动器或者步进电机驱动器。同时，TwinCAT NC直接把KL/EL2521发出的脉冲数量，作为位置反馈信号。

4)        模拟量控制

TwinCAT NC通过控制电压输出模块KL/EL4xxx的电压，控制伺服驱动器和电机的速度。此时，必须配置编码器模块KL/EL5xxx作为位置反馈。

1.6        TwinCAT NC任务的周期

在TwinCAT系统的61个任务中，有且只有两个任务是分配给运动控制器TwinCAT NC使用的，一个叫SAF，一个叫SVB。

SAF是运动控制周期，是轨迹规划和Controller运算的周期，是TwinCAT NC与伺服驱动器交换过程数据的周期：目标位置、当前位置、控制字、状态字都以这个频率更新。SAF任务周期默认值2ms，项目要求较高时可以改为1ms，但不能低于伺服驱动器的位置环周期。比如对于倍福的AX5000伺服驱动器，位置环周期为125us，最低可以把NC SAF任务周期设置为250us。



SVB可以理解为状态更新周期，是NC与PLC交换数据的周期，比如NC轴状态、当前位置、使能信号等等，都是以这个周期刷新的。SVB任务周期默认值10ms，与PLC程序中默认的任务周期一致。



1.7        TwinCAT NC PTP的配置和调试

1.7.1  运动控制器的配置

TwinCAT开发环境中，集成了TwinCAT NC运动控制软件的调试界面。在开发PC上安装TwinCAT时，如果选择TwinCAT NC PTP或者TwinCAT NC I 级别，安装完成后运行TwinCAT System Manager，左边的树形结构中就包含了 TwinCAT NC Configuration这一项。其下最多可以添加1个NC Task和255个Axis。

每个Axis的配置包括Axis本身和编码器（Enc）、驱动器（Drive）、NC控制器（Ctrl）、与PLC的接口（Inputs和Outputs）等5个子项。Enc和Drive的配置决定了NC轴将会控制哪个驱动器以及相关的参数设置，而Inputs和Outputs则决定它将被哪个PLC轴控制。Ctrl中的设置则决定了NC控制器的模型和参数。如图所示：



1.7.2  NC轴的调试界面

使用TwinCAT NC轴的调试界面，用户可以脱离PLC程序配置和调试NC轴，通过修改NC及驱动器的参数，确保电机能够达到工艺要求，走得准、走得稳，消除单位设置、PID参数、传动机械方面的误差。

NC轴的调试界面，分为Online、Function和Coupling等3个页面，如图所示：



Online页面有轴的整体状态显示和基本使能、点动按钮。

Function页面有各种单轴常用运动。

Coupling页面可以测试主从轴以多种方式耦合运动。

在这3个页面中操作轴的动作，而在Dynamic页面修改加减速，在Parameter页面修改软限位、跟随误差等参数，在Setting页面可以指定NC轴所控制的驱动器。

实际应用中必须在TwinCAT NC轴单轴调试完成后，才用PLC程序控制NC轴动作，以实现设备的工艺要求。

本书将要讲解的类容就是编写NC轴PLC控制程序和控制不同接口类型的驱动器时NC轴的配置和调试方法。