一文读懂TwinCAT NC PTP

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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。

而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。在本书中仅讨论TwinCAT NC PTP的原理和应用。


TwinCAT NC的基本特征


1. 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

运动控制库的功能块，其控制对象的接口为特定的类型，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”。这种类型的变量，通常就称之为PLC轴。

必须手动指定PLC轴与NC轴的对应关系，否则操作该PLC轴的Motion Control功能块不会有任何作用。

(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。轨迹规划与驱动器硬件无关。

·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。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。在本书的第4、7至11章，会讲到各种接口的物理轴配置方法。


2. PLC控制伺服与NC控制的区别

实际上，脱离TwinCAT NC，只用TwinCAT PLC也可以控制伺服驱动器和电机。二者的区别在于：




3. 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。

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。Profibus和Profinet总线下的符合ProfiDrive协议的驱动器，对于TwinCAT NC也是同一种驱动器。

(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。


4. TwinCAT NC轴的类型和数量

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。


术语介绍

(1) 开环、闭环、半闭环

TwinCAT NC支持开环、闭环、半闭环的控制方式。



(2) 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。

·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）。

·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。

·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。



NC轴的配置和调试


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：




2. NC轴的调试界面

TwinCAT System Manager为每个NC轴提供独立的调试界面。在上节的树形结构中选中Axes下的某个NC轴双击，右边就会出现它的调试界面。使用调试界面，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，包括操作控制和设置参数，操作控制主要在Online、Function和Coupling等3个页面，如图所示：



·在Online页面有轴的整体状态显示和基本使能、点动按钮。

·在Function页面有单轴的各种常用运动。

·在Coupling页面可以测试主从轴以多种方式耦合运动。

NC轴的参数设置页面包括：

·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。

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