1. 系统概述
1.1 全闭环控制原理
全闭环控制指在伺服系统中同时采集电机编码器反馈（半闭环）和外部位置传感器反馈（如光栅尺、磁栅尺、旋转编码器等），通过PLC或驱动器对两者数据进行融合处理，最终以外部传感器信号作为位置闭环基准，消除机械传动误差（如丝杠间隙、皮带弹性变形、齿轮间隙等），实现高精度定位。
1.2 硬件系统组成
- 主站：倍福CX系列PLC（如CX9020） + TwinCAT 3自动化软件
- 从站：汇川IS680N系列伺服驱动器及电机（网络型）
- 通信协议：EtherCAT（实时工业以太网）
- 反馈装置：
- 电机端：伺服内置编码器（23位绝对值）
- 负载端：外部光栅尺（BISS）
- 机械系统：伺服电机+减速机/直连+运动机构
2. 硬件配置与接线
2.1 EtherCAT拓扑连接
倍福PLC (EtherCAT主站) → 汇川680N伺服驱动器 (EtherCAT从站1) → 其他网络模块2.2 全闭环反馈信号接入
- 方案1：光栅尺信号直接接入汇川S680N伺服驱动器
- 汇川S680N支持第二编码器接口（CN7端子），可接收差分信号（如5V差分、ABZ、汇川协议、BISS）。
- 接线示例：
- 光栅尺 DATA+/DATA- → 驱动器CN7端子（Z+/Z-）
- 光栅尺 CLOCK+/CLOCK- → 驱动器CN7端子（CLK+/CLK-）
- 光栅尺Vcc、0V → 驱动器CN7端子（5+/GND）
- 方案2：光栅尺信号接入倍福高速输入模块（如EL5002）
- TwinCAT通过PLC处理两路反馈数据，需自行实现闭环融合算法。
3. 软件配置流程（以TwinCAT 3为例）
3.1 EtherCAT主站配置
- 在TwinCAT System Manager中扫描EtherCAT网络，自动识别汇川S680N驱动器。
- 加载汇川伺服对应的ESI（EtherCAT Slave Information）文件，确保设备描述正确。
- 配置PDO（Process Data Object）映射，通常选择CSP模式（循环同步位置），映射以下参数：
- 控制字（0x6040）
- 目标位置（0x607A）
- 实际位置（0x6064）
- 状态字（0x6041）
3.2 汇川伺服参数设置
通过伺服调试软件（Inovance Servo Studio）或HMI设置关键参数：
PA1.00 = 3 // 控制模式：CSP（EtherCAT位置模式）
PA1.01 = 17 // 编码器分辨率（根据实际电机设置）
PA5.34 = 1 // 启用第二编码器
PA5.35 = 5000 // 光栅尺分辨率（根据实际设置）
PA5.36 = 1 // 第二编码器方向 3.3 全闭环配置
- 若使用方案1（驱动器内部处理全闭环）：
在汇川驱动器中启用全闭环补偿功能： - PA5.00 = 2 // 位置反馈源选择：第二编码器 PA5.01 = 1 // 启用全闭环补偿
- 若使用方案2（PLC端处理）：
在TwinCAT中创建两个Encoder对象（电机编码器+光栅尺），通过NC轴模块实现双反馈融合： - VAR
- Axis1: AXIS_REF;
- EncMotor: ENCODER;
- EncLoad: ENCODER;
- END_VAR
- EncMotor(nAxis:= Axis1, bEnable:= TRUE); // 电机编码器
- EncLoad(..., sInputName:= 'EL5002.Ch1'); // 光栅尺输入
- Axis1.fActualPosition := EncLoad.fPosition; // 以光栅尺为实际位置
4. 调试与优化
4.1 调试步骤
- EtherCAT通信测试：查看TwinCAT状态，确保所有从站进入OP状态。
- 半闭环测试：先验证电机编码器单独控制是否正常。
- 全闭环切换：逐步增加全闭环权重，观察定位精度变化。
- 抗干扰处理：优化光栅尺信号滤波参数（如PA5.10-PA5.13）。
4.2 关键参数整定
- 位置环增益（PA2.31）、速度环增益（PA2.00）
- 前馈参数（PA2.40/PA2.41）
- 全闭环补偿滤波器（PA5.10-PA5.13）
5. 常见问题与解决
- EtherCAT通信中断
- 检查网线屏蔽层接地。
- 增加EtherCAT帧周期（如2ms→4ms）。
- 光栅尺计数抖动
- 检查电源质量，信号线使用双绞屏蔽电缆。
- 调整伺服参数PA5.10（滤波器截止频率）。
- 全闭环震荡
- 降低位置环增益，增加速度前馈。
- 检查机械刚性（联轴器是否松动）。
6. 总结
通过倍福PLC的EtherCAT总线与汇川S680N伺服全闭环方案，可实现±1个脉冲级的高精度定位（取决于光栅尺分辨率）。此方案适用于CNC机床、半导体设备等对精度要求严苛的场景。实际应用中需注意机械安装精度与参数协同优化。
附录
- 汇川IS620N/680 EtherCAT PDO映射表
- TwinCAT全闭环示例代码片段
- 光栅尺接线示意图