.液压伺服系统简介
液压伺服系统以其响应速度快（相对于机械系统）、负载刚度大、控制功率大等独特的优点在工业控制中得到了广泛的应用。而电液伺服系统是通过使用电液伺服阀，将小功率的电信号转换为大功率的液压动力，从而实现了一些重型机械设备的伺服控制。

1.1 液压伺服系统的组成
液压伺服系统主要由以下几部分组成（如图 1）：

• 储油缸
• 油泵
• 比例换向阀
• 液压缸
• 测量反馈系统
• 控制系统

图1. 液压伺服系统

使用TCPU控制液压伺服系统时，TCPU就是该系统中的控制器；TCPU可以通过脉冲或者模拟量输出来控制比例换向阀的开度和方向从而控制液压缸的运动方向和速度；测量反馈系统可以由设备编码器或者模拟量信号通过IM174接口模板或模拟量输入模板将信号反馈给TCPU。

1.2 液压伺服系统与电气伺服系统区别
控制电气伺服系统时，执行机构（通常为伺服电机）能够根据速度给定改变运行速度，响应快，动态特性好，给定与输出之间呈线性比例关系；而液压伺服系统由其液压油的物理特性决定了其响应速度和动态特性都较低，而且在液压伺服系统启动、停止以及换向时都会出现大滞后性，这样就导致输出给定与执行速度之间的关系并不是线形的（如图 2），这样，一旦我们还以控制线性电气轴的模型来控制非线性液压轴时，速度会非常不稳定，而且位置闭环会不停的修正由速度不稳定所带来的位置偏差，这时液压执行机构就会来回跳动或者抖动，造成定位误差大甚至损坏机械设备。所以我们在控制液压伺服系统时就应该先了解该系统的给定与输出之间的关系，确定补偿曲线来保证执行机构平稳运行。

图 2. 给定与实际速度的关系

在 TCPU 中，补偿曲线可以由多种方法来确定，例如 S7T Config 中的 Trace 工具，根据输出不同的给定值和实际的速度值来确定差补点，将差补点的值以表格的方式添入到 Cam Disk （凸轮盘）中。
本文主要介绍使用自动获得补偿曲线功能块 FB 520“GetCharacteristics” 和 FB 521“WriteCamData”来确定差补曲线。

2.系统结构及软硬件要求

2.1 系统结构
本系统的给定和反馈均使用高性能ET200M带AI/AO模板来实现（如图 3）：

图 3. 系统结构图

2.2 硬件及软件要求

表 1. 硬件及软件要求

3.项目配置过程：

3.1 硬件组态
在 SIMATIC 管理器中创建新的项目并添加一个 SIMATIC 300 站点。根据实际硬件配置硬件组态，本例中使用模拟量输入输出作为给定和反馈信号。组态模拟量输入输出并分配 I/O 地址(图 4)；

图 4. 硬件组态

3.2 在 S7T Config 中配置液压轴
在 S7T Config 的浏览器中，双击“插入轴”(Insert axis)（图 5）

图 5. 插入液压轴

在“常规”(General) 选项卡中，选择“速度控制”(Speed control) 和“定位”(Positioning) 控制然后打开轴向导；
在轴类型话框中，选择“液压”(Hydraulic) 轴类型。 将阀类型定义为“Q 阀”(Q valve)（图 6）。

图 6. 选择轴的类型

配置完液压轴的物理单位及模度后，进入到输入输出的配置界面，并选择其输出方式模拟量输出模板（图7 ）；

图 7. 选择输出方式

选择输出设备为模拟量输出模块，填入相应参数:

• Output:模拟量输出地址
• Format:ET200M/ET200S选择Left-justified
• Resolution:模拟量模板的输出精度（不含符号位）

点击继续进入到位置反馈参数界面，填入使用的模拟量输入的地址（图 8）：

图 8. 选择反馈方式

点击继续，进入到位置反馈参数分配界面（图 9）：

图 9. 反馈参数分配

相关输入参数：

• Factor/Offset:输入系数及偏置
• Usable bits: 模拟量模板的输入精度（不含符号位）
• Minimum value:输入的最小值
• Maximum value:输入的最大值

分配完所有参数，单击“完成”(Finish) 退出轴组态对话框。

3.3 建立补偿曲线凸轮盘
根据前文所提到的，液压伺服系统需要确定一条补偿曲线来线性化输出变量与液压轴速度之间的关系。在 TCPU 中通过使用凸轮盘（Cam Disk）工艺对象来确定补偿曲线，液压伺服轴的补偿曲线反映了液压比例阀输出给定与液压轴速度之间的对应关系。由于本文使用功能块 FB 520 “GetCharacteristics” 和 FB 521“WriteCamData” 来自动获得补偿曲线，所以需要建立两个凸轮盘（Cam Disk）来确定补偿曲线。其中第一个凸轮盘是用来测量、寻找补偿点，而测量后的结果会写入到另外一个凸轮盘，这个被写入的凸轮盘也就是当前液压伺服系统的最终补偿曲线。
在 CAMS 下面建立两个凸轮盘，分别取名为：Cam_Profile 与 Cam_Reference，并填入两个差补点描绘一条输出给定与执行速度间的参考关系曲线，如图 10：

图 10. 建立补偿曲线凸轮盘

做好以上工作后，将 S7T-Config 存盘编译，并将组态好的轴和凸轮盘等工艺对象生成相应的工艺对象数据块，并下载到 TCPU。本例中工艺对象数据块对应为：

• Axis：DB3;
• Cam_Reference: DB4;
• Cam_Profile: DB5;

4.编写用户程序

4.1 使用 FB 520 和 FB 521 自动获得补偿曲线
FB 520 “GetCharacteristics” 和 FB 521“WriteCamData”两个功能块并没有在 S7-Tech 库中提供，所以需要到以下链接下载例子项目，并将项目中的FB520和FB521复制到自己的项目中来。
下载链接：27731588

4.2 FB 520 和 FB 521 的功能介绍

4.2.1 FB 520 “GetCharacteristics”
通过该功能块，系统能够执行测量并得到当前液压系统的补偿曲线，并将相应的Cam Disk激活为当前液压系统的Profile。其内部调用结构如图 11：

图 11. FB 520 结构

4.2.2 FB 521 “WriteCamData”
该功能块能够将测量的补偿曲线写入到相应的Cam Disk中。其内部调用结构如图 12：

图 12. FB 521 结构

由这两个功能块的结构图可以看出，其内部调用了很多S7-Tech里面的功能块，所以需要将这些功能块复制到当前的项目中来。而且，可以看到在FB520功能块内部已经调用了FB521，所以只要保证FB 521在项目中存在就可以了，不需要在程序中单独调用。表 2 为FB520,FB521所使用到的S7-Tech功能块：

表 2. 使用的 S7-Tech 功能块

4.2.3 FB520的管脚及其定义（图 13 及表 3）：

图 13. FB 520 管脚定义

表 3. FB 520 管脚定义

4.3 在OB1中调用FB520（图 14）

图 14. 在 OB1 中调用 FB 520

使用步骤：

• 将工艺对象的 DB 号填入到相应的管脚上；
• 通过点动（Jog）管脚，将液压轴移动到要运行的最初始位置；
• 在 maxDistance 管脚上填入要执行测量的最大行程，这里建议填入的行程距离要大于正常运行时的工作行程，但注意不要超过液压缸的最大行程；
• 准备工作就绪后，将使能位（Enable）置 1，这时液压缸会启动检测过程，可以通过状态字（State）观察当前的执行情况。
• 当测量结束后，完成位（Done）置 1，表示测量工作已经完成，而且测量出来的补偿曲线已经写入到 Cam_Profile 凸轮盘中。

4.4 FB 520 “GetCharacteristics” 的测量原理（图 15）

• TCPU 通过模拟量输出将给定发送给液压阀，并激活其动作；
• 液压阀开启后，相应流量的液压油注入到液压缸并推动液压轴运动；
• 液压轴的移动速度由位置反馈系统检测并存储在 TCPU 内；

图 15. FB 520 的测量原理

4.5 FB 520 “GetCharacteristics” 补偿曲线的写入过程（图 16）：

• 当所有位置上的测量值记录完成后会以凸轮盘的形式存在 TCPU 中；
• 凸轮盘的坐标分别对应的是阀的给定开度和液压轴的当前速度；
• 最后 TCPU 会执行 FB439 MC_SetCharacteristic 将当前凸轮盘激活为液压轴的补偿曲线。

图 16. 补偿曲线的写入过程

4.6 FB 520 “GetCharacteristics” 执行时的基本步骤

• 初始化 FB 520：
  生成的线性参考凸轮盘被激活，并且液压轴被设置为闭环模式；
• 检测液压轴的死区：
  根据 TCPU 发出的目标给定以及液压轴的响应时间计算出死区；
• 由正方向开始测量补偿曲线：
  由正方向开始，TCPU 在不同的位置上给出一系列给定速度，并根据反馈速度测量补偿点，测量结束后回到初始位置；
• 由负方向开始测量补偿曲线：
  由负方向开始，TCPU 在不同的位置上给出一系列给定速度，并根据反馈速度测量偿点，测量结束后回到初始位置；
• 写入并激活测量出的补偿曲线：
  TCPU 将测量的补偿曲线写入到另外一个凸轮盘，并将其激活为当前液压轴的最终偿曲线。

4.7 FB 520 “GetCharacteristics” 的 42 种执行状态（图 17）：

• 0-41：初始化
• 42-44：死区检测
• 45-47：移动到初始位置
• 50-101：正向检测
• 110-111：移动到正向最大位置
• 120-171：反向测量
• 180-181：移动到初始位置
• 190-210：写入并激活补偿曲线

图 17：FB 520 的42种执行状态（State）

5.执行结果
在FB520执行自动检测之后，可以通过在线的方式察看测量出来的补偿曲线，如图 18：

． 产品概述

订货号

6ES7138-4DB03-0AB0

兼容性

订货号为6ES7138-4DB03-0AB0 的1SSI对如下的模块是完全兼容的：
• 6ES7138-4DB02-0AB0
• 6ES7138-4DB01-0AB0
• 6ES7138-4DB00-0AB0

特性

• 1SSI模块是PLC和绝对值编码器之间的接口，可以在用户程序中周期的读取编码器值
• 可用的端子模块 TM-E15S24-01 和 TM-E15S26-A1
• 等时模式
• 编码器值的规格化
• 反转编码器的计数方向，从而调整轴的运动方向
• 在标准模式下的锁存功能，冻结当前的编码器值
• 在标准模式下，实现装载比较值和当前计数值的比较功能
• 可选择的读取模式
-Free wheeling
-Synchronous to the update rate
-Isochronously
• 使用Fast mode，快速的编码器值检测（6ES7151-1AA00-0AB0接口模块不支持该功能）
• 在等时模式中考虑了最大的编码器采样率
• 等时模式的生命周期
• 编码器值的奇偶校验
• 格雷码/二进制码

支持的编码器类型

类型如下：
• 绝对值编码器（SSI） 13 位
• 绝对值编码器（SSI） 14 位
• 绝对值编码器（SSI） 15 位
• 绝对值编码器（SSI） 16 位
• 绝对值编码器（SSI） 17 位
• 绝对值编码器（SSI） 18 位
• 绝对值编码器（SSI） 19 位
• 绝对值编码器（SSI） 20 位
• 绝对值编码器（SSI） 21 位
• 绝对值编码器（SSI） 22 位
• 绝对值编码器（SSI） 23 位
• 绝对值编码器（SSI） 24 位
• 绝对值编码器（SSI） 25 位

固件更新

可以使用STEP7 HW Config 更新1SSI模块的固件版本（接口模块支持该功能）。

标识数据

• 硬件发行状况
• 固件发行状况
• 序列号
请参考：ET200S Distributed I/O System 手册，Identification Data 章节

组态

可以使用如下的方法组态：
• A GSD file (http://www.ad.siemens.de/csi/gsd)
• STEP 7 V5.4 SP2 or V5.3 SP2 with HSP 2022 and higher

2. 时钟模式

关于等时模式的描述参见如下手册
15218045

硬件要求

• CPU 支持等时模式
• 主站或Profinet 主站支持等距总线周期
• IM151 支持等时模式
特性
1SSI 模块可以根据不同的系统参数分配，工作在非等时和等时模式下
在等时模式下，主站和1SSI模块的数据交换和总线周期是同步的
在等时模式下，所有的反馈字节具有一致性

3．模块接线图

接线规则

电缆（端子1和5/端子4和8）必须是屏蔽双绞线。

端子图如下：

图1

注：1当连接编码器时，接线的极性要正确，否则会报编码器错误

2短路电流保护-最大0.5A

4. 配置标准模式和快速模式

简介

为了充分的利用SSI模块的功能，根据不同的自动化任务，可以选择标准和快速两种模式。
应拥领域 模式

表1

表2

表3

5．1SSI 功能

5.1 编码器值检测

绝对值编码器传送信息侦中的编码器值到1SSI 模块。信息贞的传送由1SS1进行初始化。如下的方法可以使用：

• Free-wheeling
• Synchronous
• Isochronous
在硬件配置的“Detection”参数中设置Free-wheeling 和synchronous 模式。这个参数只能工作在非等时模式下。

图2

Free-Wheeling 方式
在该模式下使用latch功能，能获得最大精确的数值。在每次的单稳态触发时间结束时，模块开始传送报文数据。与模块的周期更新编码器值是非同步的

Synchronous 方式
在该模式下可以检测编码器的实际值，能获得最大精确的数值。数据报文的传送和模块的更新周期是同步的

Isochronous
在该方式下，当等距总线周期激活时，编码器值的检测是自动进行的，DP 主战和DP从占对于总线是同步的。

5.2 格雷码/二进制码 转换
当设定为格雷码时，绝对值编码器的格雷码值被模块转化为二进制值；当设定为二进制码时，绝对值编码器的值不进行转换

5．3 传送编码器值和标准化
1SSI模块确定的位置值，与下列相关：

• 编码器类型
• Trailing 位的个数
• 编码器总的步数
如：一个单圈的9位编码器=512 步/转设置如下的参数:
编码器类型：SSI-13 位
Trailing 位个数：4
编码器总的步数：512

图3

当不激活Scaling 选项时，按照下图来评估位置：

图4

当激活Scaling 选项时，按照下图来评估位置：

图5

5.4 检测方向和反转旋转方向

方向检测：运动方向的检测可以由模块的LED灯来显示
UP LED：编码器的值由低到高
DN LED：编码器的值由高到低

方向反转：调整编码器的运动方向（轴的运动方向）
• Off
保持编码器位置值传送的方向
• On
反转编码器的位置值的传送方向。如：虽然编码器的实际值在增加，但显示的值在递减

5.5 比较器（仅在标准模式）
编码器的值可以与最多两个装载的值进行比较，比较结果存储在模块的反馈接口中。可以设定两个比较值，在硬件组态中参数如下：

图6

表4

5.6 锁存功能（仅在标准模式）

使用数字量输入（DI）的沿信号可以冻结当前的编码器数值

图7

终止锁存功能：锁存功能必须被确认，锁存标志位31被删除后，编码器值被更新。

图8

5.7 在标准模式下的控制和反馈接口

表5

表6

5.8 快速模式下的反馈接口