西门子运动控制器
S I M O T I O N收放卷应用
介绍
YKK standardization office【 YKK5AB- YKK08- YKK2C- YKK18】
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。
间接张力控制
velocity override 这里称为饱和速
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
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一定的误差。功能图如下： 制通过转矩限
幅带张力传
感器闭环控
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 通过速度调整跳舞辊 闭环控制
饱和速度
转矩预控
转矩限幅
张力给定
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。
比例阀的模拟量给定与跳舞辊的压力P 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。功能图如下：
张力反馈
PID 控制器
位置反馈
位置PID控制器
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：
材料线速度检夹紧摩擦机
收放卷速度给
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：
参数名称数据类型描述
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_HF2\SCOUTDVD1\Utilities_Applications\src\Applications\Converting_Wi nder
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gsWinderConfig”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。
建卷曲轴和线性轴
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。
如果卷曲轴为速度轴，并且轴的属性中显示的单位如下：
●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：
线性轴
●
首先要通过设定你的线性轴的直径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 ：= ;
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 ;
●如果线性轴为位置轴或外部编码器（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：
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，如果是
中文，则此处会显示“
/s”。
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 ;
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惯量，由功能块通过材料的卷径、密度和宽度来计算。
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)?p341?n2（其中n为减速比）
假设减速比为，则程序如下：
:= ;
:= ；
gsWinderConfig. := ;
:=;
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，则程序如下：
gsWinderConfig . := USER_DEFINED;
gsWinderConfig . :=;
gsWinderConfig . :=;
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1800~2500范围内的数据功能块就用不上）具体如下：
如下： := 10; := /; := ; := ; := ; := ; := ; := ; := ; := ; := ; := ; := ;