0自动化新技术运动控制入门教程Version 1.00 毕孚自动化设备贸易（上海）有限公司2015 年 1 月1目录一． TwinCAT NC PTP 系统介绍 ..........................................................................1二． SYSTEM MANAGER 中 AX5000 的配置 .......................................................4三． Plc control 编程控制电机 .........................................................................16四． 电子凸轮 ...................................................................................................29五． 通用飞锯 ...................................................................................................39六． NCI 功能使用说明 .....................................................................................432一． TwinCAT NC PTP 系统介绍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V2.0TwinCAT 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。
1． TwinCAT NC PTP与TwinCAT 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：3由图可见，PLC程序对电机的控制，必须经过两个环节：PLC 轴到NC轴；NC轴再到物理轴PLC轴的控制，是指PLC 程序中编程，调用运动控制库的功能块NC轴不需要编程，它的运算分为轨迹规划、PID运算和IO接口处理其中轨迹规划和PID运算是固定的，与硬件无关IO 接口处理随接口类型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可以固化在TwinCAT System Manager配置文件中，也可以在PLC程序中通过ADS指令读写物理轴，指驱动器、电机和编码器物理轴的配置，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TwinCAT NC 做轨迹规划，是指接收到 PLC 指令以某个速度运动到某个位置后，计算出每个 NC 周期（比如：2ms）伺服轴应该到达的位置。
IO 接口处理，是指根据轴的硬件类型和相应的参数设置，进行单位换算，将 NC 运算得出的目的位置，换算成驱动器可接受的输出变量值2． TwinCAT NC PTP控制的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 任务的周期有关图：BECKHOFF 的控制器上运行 TwinCAT NC 的性能对比4TwinCAT NC 支持多种伺服轴类型，下面介绍几种常用类型：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3． TwinCAT NC PTP的控制周期通常说的NC周期，是指轨迹规划和PID运算的周期，是NC与伺服驱动器交换数据的周期，目标位置、当前位置、控制字、状态字都以这个频率更新在TwinCAT System Manager中，叫做NC Task SAF任务周期，默认值为2ms ，理论上最小设置为50us当连接硬件运动轴时，以BECKHOFF的伺服驱动器AX5000为例，位置环周期为125us，所以NC周期设置为50us是没有意义的，实际上250us 的NC周期已经是很高端的应用了。
5另一个 NC 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在 TwinCAT System Manager 中，叫做 NC Task SVB 任务周期，默认值为 10ms，与 PLC 程序中默认的任务周期一致4． TwinCAT NC PTP的配置、编程、调试在开发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TwinCAT NC任务和轴的配置调试就是在这一项下进行TwinCAT NC任务的配置主要是设置任务周期，多数情况下，使用默认值即可TwinCAT NC轴的配置包括：编码器（Enc）、驱动器（Drive）、NC 控制器（Ctrl）、与PLC的接口（Inputs和Outputs ）Enc 和Drive 的配置决定了NC轴与哪个驱动器对应，而Inputs和Outputs则决定它对应 PLC程序中的哪一个轴结构型变量 Ctrl中的设置则决定了PID运算的模型和参数。
TwinCAT NC轴的调试，分为单轴点动、指定方式动作和双轴齿轮或凸轮联动这些动作都可以在TwinCAT System Manager的NC Configuration项下完成，不需要编写任何PLC程序NC轴调试的目标，是确保电机能够按要求走得准、走得稳，消除单位设置、PID参数、传动机械方面的误差TwinCAT NC 轴的编程，在 TwinCAT PLC 中通过引用运动控制功能库 TcMC.Lib 或者TcMC2.Lib，并调用其中功能块来实现实际应用中，必须在 TwinCAT NC 轴调试完成后，才用 PLC 程序控制轴的动作，以达到设备的工艺要求二． SYSTEM MANAGER 中 AX5000 的配置1. 硬件扫描将培训器材上电后开始扫描硬件，培训室实验器材有两种，一种为：面板PC+IO+AX5000 驱动+电机，简称器材 A，一种为：嵌入式 PC+IO+ AX5000 驱动+ 电机，简称器材 B，两种器材皆有 Beckhoff 的驱动和电机，在扫描硬件的时候会有下图提示， “AX5000设备或 EL72X1 设备已经发现，是否要扫描驱动器所带的电机型号？” ，点击“是”之后，软件会扫描驱动器下面所带的电机，会花一些时间。
6然后会提示是否要添加 NC 轴和实际物理轴的链接，点击“是” 扫描完成后可以在 NC-Configuration 中看到 3 根轴或者 2 根轴，器材 A 由于 IO 中还有EL7041 步进电机模块，因此有 3 根轴，Axis1 对应步进电机，Axis2、Axis3 对应伺服驱动器控制的两台电机，IO-Configuration 中扫描到硬件驱动器 AX5203-0000-00112. NC 轴和物理轴的关系可以通过 Axsi1-Settings-Link to 来选择 NC 轴所关联的物理轴，这个链接在扫描硬件的时候自动添加，也可以手动右键 Axes，点击 Append axis 添加轴，将 NC 轴手动链接到物理轴上，这个窗口可以看到 NC 轴和物理轴的对应关系7展开 I/O Devices 中 AX5203 下的变量，可以看到驱动器下面的变量都已经有关联了，右键其中的一个变量，点击 Goto link variable，可以看到此变量和 NC 轴中的变量链接NC轴与物理轴就是通过这些变量来交换数据的，每个周期将驱动器的数据读取到 NC 中，NC处理完再将控制命令传给驱动器11112111311183. AX5000 的配置选中 Drive 4(AX5203-0000-0011)Configuration 选项卡，CHANNEL 下面的 MOTOR AND FEEDBACK，然后点击 Select Motor 来手动添加驱动器所带的电机型号，也可以点击 Scan motor and feedback 来自动获取电机型号， Configuration 是用来对 AX5000 驱动器进行配置的窗口，我们 AX5000 驱动器的配置软件没有额外的软件，直接通过 System manager 软件可以配。