在现代工业自动化系统中，可编程逻辑控制器（PLC）的运动控制功能日益强大。运动控制的核心在于对"轴"的精确操控。无论是简单的传送带控制，还是复杂的多轴协同作业，都离不开对各种类型轴的深入理解和正确配置。
本文将详细介绍PLC运动控制中常见的四种轴类型：脉冲轴、编码器轴、虚拟轴和总线轴，并阐述它们在PLC中的配置方法。
深入理解各类运动控制轴的工作原理与配置方法，是构建高效自动化系统的关键基础。
一. 轴的分类
1. 脉冲轴 (Pulse Axis)
脉冲轴是最基本也是最常见的运动控制轴类型，通过发送脉冲序列来控制电机的位置和速度。每个脉冲对应电机的一个微小位移，脉冲频率决定电机转速，脉冲数量决定总位移量。
工作原理
PLC通过高速输出点发出脉冲信号（通常配合方向信号）到步进电机或伺服驱动器的脉冲输入端口。这种控制方式简单可靠，适用于许多中小规模应用场景。
配置信息
在PLC中配置脉冲轴通常需要设置以下参数：
- 脉冲输出方式：选择"脉冲+方向"（PUL/DIR）、"正反脉冲"（CW/CCW）或AB相正交脉冲输出
- 基本运动参数：包括启动速度、最大速度、加速度、减速度
- 脉冲当量（单位脉冲对应的位移量）：根据机械传动机构和电机特性计算得出
- 限位设置：包括软限位和硬限位，防止机械超程
- 回原点参数：包括回原模式、回原速度、爬行速度等
典型应用场景：数控机床、包装机械、定位装配等对成本敏感且精度要求不是极高的场合。
2. 编码器轴 (Encoder Axis)
编码器轴通常指配备编码器反馈的轴，用于实时监测电机或机械机构的实际位置和速度，形成闭环控制，提高控制精度。
工作原理
编码器通过光电或磁电原理将机械位移转换为电信号。增量式编码器输出A、B两相脉冲信号（相位差90°）和Z相零位信号，绝对式编码器则提供唯一位置值。PLC通过高速计数模块接收这些信号，获取实际位置信息。
配置信息
配置编码器轴需要设置以下参数：
- 编码器类型：增量式或绝对式编码器
- 分辨率（PPR）：每转脉冲数，如1024、2048等
- 信号类型：NPN/PNP集电极开路输出、推挽输出、差分输出等
- 计数模式：1倍频、2倍频或4倍频计数
- 零位信号处理：Z相信号的使用方式
典型应用场景：高精度定位系统、伺服电机控制、质量检测设备等需要闭环控制的场合。
3. 虚拟轴 (Virtual Axis)
虚拟轴是纯软件实现的轴，没有直接连接的物理硬件，主要用于模拟实际轴的运动或作为其他轴的同步主站。
工作原理
虚拟轴通过PLC内部的运动控制算法生成理论运动轨迹（位置、速度前馈），而不直接驱动物理执行机构。它可以作为主轴，通过电子齿轮或电子凸轮功能控制其他物理轴。
配置信息
配置虚拟轴需要设置以下参数：
- 运动曲线参数：包括最大速度、加速度、减速度
- 单位换算：设置虚拟轴的单位（如毫米、度、脉冲）
- 耦合关系：当虚拟轴作为主轴时，设置与从轴的齿轮比或凸轮表关系
- 反馈映射：如需显示虚拟轴的位置反馈，需映射到实际编码器
典型应用场景：程序开发阶段的逻辑测试、多轴同步控制的主轴、运动模拟和演示系统。
4. 总线轴 (Bus Axis)
总线轴基于工业现场总线（如EtherCAT、Profinet、CC-Link等）实现通信，是现代高性能运动控制的发展方向。
工作原理
PLC作为总线主站，通过高速工业网络与分布式从站（如伺服驱动器、IO模块等）通信，周期性地交换数据（通常≤1ms）。这种结构减少了布线复杂性，提高了系统灵活性和扩展性。
配置信息
配置总线轴需要设置以下参数：
- 网络配置：设置网络周期、同步模式等
- 节点映射：配置每个从站的地址和参数
- PDO映射：过程数据对象映射，定义输入输出数据的结构和含义
- 分布式时钟：确保所有节点的时间同步
- 诊断设置：网络状态监控和故障处理机制
典型应用场景：多轴协同运动控制（如工业机器人）、大型自动化生产线、对实时性要求高的应用场合。
对比总结
为了更直观地了解这四种轴的特点，以下是它们的对比表：
| 特性 | 脉冲轴 | 编码器轴 | 虚拟轴 | 总线轴 |
|---|---|---|---|---|
| 控制方式 | 开环 | 闭环 | 软件模拟 | 闭环 |
| 精度 | 中等 | 高 | 无实际物理运动 | 高 |
| 成本 | 低 | 中 | 低 | 高 |
| 复杂度 | 低 | 中 | 中 | 高 |
| 扩展性 | 有限 | 有限 | 高 | 高 |
| 适用轴数 | 通常少于16轴 | 取决于PLC能力 | 无限制 | 可多达32轴或更多 |
| 典型应用 | 简单定位控制 | 高精度定位 | 模拟/主站控制 | 复杂多轴协同控制 |
二. 轴状态机
PLC运动控制中的轴状态机是理解轴行为和控制逻辑的核心。它定义了轴在不同命令和事件下如何切换状态。参考
| Note | Description |
|---|---|
| Note 1 | From any state in which an error occurs |
| Note 2 | From any state if MC_Power.Enable = FALSE and the axis has no error |
| Note 3 | MC_Reset and MC_Power.Status = FALSE |
| Note 4 | MC_Reset and MC_Power.Status = TRUE and MC_Power.Enable = TRUE |
| Note 5 | MC_Power.Status = TRUE and MC_Power.Enable = TRUE |
| Note 6 | MC_Stop.Done = TRUE and MC_Stop.Execute = FALSE |
各状态详细说明
-
Disabled (未使能/电源关闭)
- 含义：这是轴的初始状态。在此状态下，伺服驱动器的电源未被激活，电机通常处于自由状态（未励磁）。
- 典型操作：需要通过
MC_Power功能块（Enable=TRUE）并使能条件满足（如无故障）后，轴才能进入StandStill状态 。 - 退出条件：执行
MC_Power功能块并使能成功。
-
ErrorStop (故障停止)
- 含义：当轴控制过程中发生任何错误（如跟随误差超限、限位开关触发、驱动器报警等），轴会立即进入此状态 。
- 典型操作：所有运动被中止。必须先通过
MC_Reset功能块复位错误，有时还需配合MC_Power。仅当故障根源被清除后，复位操作才能成功。 - 进入条件：在任何其他状态发生错误。
- 退出条件：成功执行
MC_Reset复位功能块。
-
StandStill (保持静止)
- 含义：轴已成功使能并保持静止（零速），等待执行新的运动命令。这是许多运动操作的起点 。
- 典型操作：在此状态下，可以执行回原点 (
MC_Home)、绝对/相对移动 (MC_MoveAbsolute,MC_MoveRelative)、速度运动 (MC_MoveVelocity)、点动 (MC_Jog) 等。 - 进入条件：
MC_Power使能成功；其他运动（如离散运动、回原点）正常完成；减速停止 (Stopping) 完成；故障复位 (ErrorStop状态后执行MC_Reset) 成功。 - 退出条件：接收并执行任何有效的运动命令。
-
Stopping (减速停止)
- 含义：轴正在按照预设的减速度减速至停止 。
- 典型操作：通常由
MC_Stop功能块触发。停止完成后，轴会自动返回StandStill状态。 - 进入条件：执行
MC_Stop功能块。 - 退出条件：轴速度降至零，停止完成，自动进入
StandStill。
-
Homing (回原点)
- 含义：轴正在执行寻找机械原点或参考点的操作 。
- 典型操作：通过
MC_Home功能块触发。回原点模式有多种（如找索引信号、限位开关等）。完成回原点后，轴的位置计数器通常被设置为预设的零位或参考值。 - 进入条件：在
StandStill状态下执行MC_Home功能块。 - 退出条件：回原点操作成功完成（返回
StandStill）或被停止命令中断（如进入Stopping）。
-
DiscreteMotion (离散运动)
- 含义：轴正在执行点到点的定位运动，例如移动到某个绝对位置或相对移动一段特定距离 。
- 典型操作：由
MC_MoveAbsolute、MC_MoveRelative、MC_Jog等功能块触发。运动完成后，轴会自动返回StandStill状态。 - 进入条件：在
StandStill、ContinuousMotion或SynchronizedMotion状态下执行相应的离散运动功能块。 - 退出条件：定位完成（返回
StandStill）；被停止命令中断（进入Stopping）；或被其他运动命令超越（根据具体实现和配置）。
-
ContinuousMotion (连续运动)
- 含义：轴正在以连续的速度运行，而不是为了到达某个特定位置 。
- 典型操作：由
MC_MoveVelocity或MC_MoveTorque等功能块触发。需要停止时，必须由MC_Stop或MC_Halt等功能块显式命令。 - 进入条件：在
StandStill、DiscreteMotion或SynchronizedMotion状态下执行连续运动功能块。 - 退出条件：执行停止命令（如
MC_Stop,MC_Halt）进入Stopping。
-
SynchronizedMotion (同步运动)
- 此为多轴协调运动状态（如电子齿轮、电子凸轮、插补控制），轴的运动与其它主轴或虚拟主轴同步 。
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