前言
运动控制是工业自动化的重要分支，广泛应用于包装机械、装配线、机器人、数控机床等领域。作为工控软件工程师，理解运动控制的基本原理、掌握PLC运动控制指令，是必备技能。
运动控制系统概述
系统组成
一个典型的运动控制系统包括：
```
┌─────────────┐
│ 上位机 │ ← 人机界面、参数设置
└──────┬──────┘
│
┌──────▼──────┐
│ PLC │ ← 运动控制器
└──────┬──────┘
│
┌──────▼──────┐
│ 伺服驱动 │ ← 伺服放大器
└──────┬──────┘
│
┌──────▼──────┐
│ 伺服电机 │ ← 执行机构
└────────────┘
```
运动控制类型
1. **点位运动 (PTP)**：从一个位置快速移动到另一个位置，不关心路径。
2. **连续轨迹运动 (CP)**：沿预定路径运动，需要精确控制轨迹。
3. **同步运动**：多个轴协调运动，保持速度或位置关系。
伺服电机控制原理
伺服系统组成
伺服电机系统由三部分组成：
- **编码器**：反馈当前位置和速度（通常是增量式或绝对值式）
- **驱动器**：根据PLC指令控制电机运转
- **电机**：执行运动
控制模式
1. **位置控制模式**：PLC发送脉冲或模拟量，控制电机转动角度。
2. **速度控制模式**：控制电机转速。
3. **扭矩控制模式**：控制输出扭矩。
编码器反馈
```csharp
// 读取编码器位置（绝对值编码器）
public async Task<int> ReadEncoderPositionAsync()
{
// 通过Modbus读取编码器绝对位置
var registers = await _modbus.ReadHoldingRegistersAsync(0x0000, 2);
// 组合两个16位寄存器为32位位置值
int position = (registers[0] << 16) | registers[1];
return position;
}
```
PLC运动控制编程
西门子S7-1200运动控制
西门子PLC内置运动控制功能，通过工艺对象（TO）实现。
# 1. 初始化轴
```csharp
// 创建运动控制轴对象（梯形图或SCL）
VAR
Axis1 : TO_SpeedAxis; // 速度轴
Axis2 : TO_PositioningAxis; // 定位轴
Command : BOOL;
Velocity : REAL := 100.0; // 速度 mm/s
END_VAR
// 轴初始化
IF Command THEN
Axis1.Enable := TRUE;
Axis1.StartAuto := TRUE; // 启动自动模式
Command := FALSE;
END_IF;
// 速度控制
Axis1.Velocity := Velocity; // 设置目标速度
```
# 2. 绝对定位运动
```csharp
// 绝对定位控制（定位到指定位置）
VAR
Positioning : BOOL;
TargetPosition : REAL := 150.0; // 目标位置 150mm
END_VAR
// 执行绝对定位
IF Positioning THEN
Axis2.Position := TargetPosition;
Axis2.Execute := TRUE; // 执行定位命令
Positioning := FALSE;
END_IF;
// 检查定位完成
IF Axis2.Done THEN
// 定位完成，可以执行下一步操作
NextStep := TRUE;
END_IF;
```
# 3. 相对定位运动
```csharp
// 相对定位（当前位置移动相对距离）
VAR
RelativeMove : BOOL;
Distance : REAL := 50.0; // 相对移动50mm
END_VAR
IF RelativeMove THEN
Axis2.Position := Axis2.Position + Distance;
Axis2.Execute := TRUE;
RelativeMove := FALSE;
END_IF;
```
三菱PLC运动控制
三菱PLC使用高速脉冲输出控制伺服驱动器。
# 1. 脉冲输出指令
```csharp
// 三菱PLC脉冲输出（DPLSY指令）
// DPLSY S1 S2 D
// S1: 脉冲频率 (Hz)
// S2: 脉冲总数
// D: 脉冲输出通道号（Y0, Y1等）
// 连续输出脉冲（速度控制）
// DPLSR S1 S2 D
// S1: 脉冲频率 (Hz)
// S2: 输出脉冲数（0表示连续输出）
// D: 输出通道
// 例子：输出5000Hz，10000个脉冲到Y0
MOV K5000 D100; // 设置频率5000Hz
MOV K10000 D102; // 设置脉冲数10000
DPLSY D100 D102 K0Y0; // Y0输出脉冲
```
# 2. 定位指令
```csharp
// 绝对定位（DRVI指令，相对原点）
// DRVI S1 S2 D1 D2
// S1: 相对位移量（-32768~32767）
// S2: 脉冲频率
// D1: 脉冲输出通道
// D2: 方向输出
// 例子：正向移动1000个脉冲，频率1000Hz
DRVI K1000 K1000 K0Y0 K1Y3; // Y0输出脉冲，Y3控制方向
```
实际应用案例
案例1：传送带定位系统
```csharp
// WPF上位机控制传送带定位
public class ConveyorController
{
private readonly IPlcService _plc;
// 移动到指定位置
public async Task MoveToPositionAsync(double targetPosition)
{
// 1. 检查当前状态
var isReady = await _plc.ReadBoolAsync("DB1.DBX0.0"); // 轴已使能
if (!isReady)
{
await EnableAxisAsync();
}
// 2. 设置目标位置
await _plc.WriteRealAsync("DB1.DBD10", targetPosition);
// 3. 启动定位
await _plc.WriteBoolAsync("DB1.DBX0.1", true);
await Task.Delay(100);
await _plc.WriteBoolAsync("DB1.DBX0.1", false);
// 4. 等待完成
while (true)
{
var isDone = await _plc.ReadBoolAsync("DB1.DBX0.2");
var isError = await _plc.ReadBoolAsync("DB1.DBX0.3");
if (isDone) break;
if (isError)
{
var errorCode = await _plc.ReadIntAsync("DB1.DBW4");
throw new Exception($"轴定位错误: {errorCode}");
}
await Task.Delay(100);
}
}
private async Task EnableAxisAsync()
{
await _plc.WriteBoolAsync("DB1.DBX0.0", true);
await Task.Delay(500);
}
}
```
案例2：多轴同步运动
```csharp
// 双轴同步龙门架系统
public class GantryController
{
// X轴和Y轴同步运动，实现矩形轨迹
public async Task MoveRectangularAsync(double width, double height, double speed)
{
// 四个顶点坐标
var points = new[]
{
new { X = 0.0, Y = 0.0 },
new { X = width, Y = 0.0 },
new { X = width, Y = height },
new { X = 0.0, Y = height },
new { X = 0.0, Y = 0.0 } // 返回原点
};
foreach (var point in points)
{
await MoveToPointAsync(point.X, point.Y, speed);
}
}
private async Task MoveToPointAsync(double x, double y, double speed)
{
// 计算两点间距离
var distance = Math.Sqrt(x * x + y * y);
var time = distance / speed; // 运动时间
// 设置X轴参数
await _plc.WriteRealAsync("DB2.DBD10", x);
await _plc.WriteRealAsync("DB2.DBD14", speed);
// 设置Y轴参数
await _plc.WriteRealAsync("DB3.DBD10", y);
await _plc.WriteRealAsync("DB3.DBD14", speed);
// 同步启动两个轴
await _plc.WriteBoolAsync("DB2.DBX0.1", true); // X轴启动
await _plc.WriteBoolAsync("DB3.DBX0.1", true); // Y轴启动
// 等待运动完成
while (true)
{
var xDone = await _plc.ReadBoolAsync("DB2.DBX0.2");
var yDone = await _plc.ReadBoolAsync("DB3.DBX0.2");
if (xDone && yDone) break;
await Task.Delay(50);
}
// 清除完成标志
await _plc.WriteBoolAsync("DB2.DBX0.2", false);
await _plc.WriteBoolAsync("DB3.DBX0.2", false);
}
}
```
运动控制参数调优
PID参数调整
伺服系统的位置环和速度环需要PID参数调优。
```csharp
// 调整PID参数（通过上位机设置）
public class ServoTuner
{
public async Task TunePidAsync(double kp, double ki, double kd)
{
// 写入位置环PID参数
await _plc.WriteRealAsync("DB1.DBD20", kp); // 比例增益
await _plc.WriteRealAsync("DB1.DBD24", ki); // 积分增益
await _plc.WriteRealAsync("DB1.DBD28", kd); // 微分增益
// 应用参数
await _plc.WriteBoolAsync("DB1.DBX1.0", true);
}
// 自动调谐（简化版）
public async Task AutoTuneAsync()
{
// 1. 关闭积分和微分项
await TunePidAsync(1.0, 0.0, 0.0);
// 2. 逐步增加Kp，观察系统响应
for (double kp = 1.0; kp <= 10.0; kp += 0.5)
{
await TunePidAsync(kp, 0.0, 0.0);
await TestStepResponseAsync();
await Task.Delay(2000);
}
// 3. 根据响应调整Ki和Kd...
}
}
```
总结
运动控制是工控领域的核心技术之一：
1. **理解伺服系统**：掌握编码器、驱动器、电机的协同工作原理。
2. **PLC编程**：熟练使用运动控制指令，实现定位、同步等动作。
3. **上位机开发**：提供参数设置、状态监控、手动控制等界面。
4. **参数调优**：学会调整PID参数，获得最佳控制效果。
5. **故障排查**：了解常见运动控制故障（如振荡、过冲、失步等）的排查方法。
运动控制系统对实时性和精度要求高，需要深入理解控制原理和参数设置。在实际项目中，建议参考伺服驱动器的调试手册，结合示波器等工具进行参数优化。