多轴耦合运动系统的回原机理与无干涉策略研究——基于双动子升降直线模组的工程实践（一）-优快云博客

引言

本文是基于一个双动子升降直线模组在回原问题上的工程案例进行展开，编写此文章的目的在于通过此案例，一方面深度探讨和解析运动控制系统回原技术问题，另一方面对该案例以及相似案例进行回原逻辑问题的解决方案可行性研究，并作为典型案例供大家参考。下文将按两方面分别撰写并整理，第一部分偏理论讲解，主要是对运控系统回原技术深度解析，第二部分偏工程实践，是回原逻辑设计与分析工程实践，同时结合代码仿真，值得学习和收藏。

⛳运控系统回原技术深度解析

摘要

本报告旨在全面、系统地解析运动控制系统中“回原”功能的原理、架构、模式、参数及应用场景。回原不仅是设备初始化的关键步骤，更是确保定位精度、重复性和系统安全的基础。报告将从基础概念出发，对比分析上位机回原与伺服回原两种主流架构，深入剖析各类回原模式的工作原理与参数配置，并探讨包括转矩回原在内的特殊应用场景。最后，结合工程实践中常见的“回原干涉”问题，提出逻辑优化策略，为运动控制系统设计、调试与维护提供理论依据和实践指导。

第一章：回原概述与核心价值

1.1 回原的基本定义
回原，又称寻零、找原点或回参考点，是指运动控制单元引导电机驱动机构，以特定的逻辑和运动方式，寻找并确立一个在机械或电气上唯一、确定的物理位置，并将此位置定义为坐标零点（机械原点或参考点）的过程。

1.2 回原的核心目的

建立绝对坐标基准：增量式编码器系统断电后位置信息丢失，上电后必须通过回原重建坐标系。
消除累计误差：长期运行中可能因丢步、滑动产生的累计误差，通过周期性回原可以清零。
保证重复定位精度：确保每次启动后，设备都能以相同的基准进行高精度定位。
安全需求：在回原过程中确认极限位置传感器有效，为后续行程软限位提供基准，防止超程碰撞。

1.3 绝对值系统与非绝对值系统的区别

绝对值编码器系统：编码器内部存储了唯一的绝对位置信息（即使断电也不丢失）。此类系统在首次安装调试时，通常通过“设定原点”操作将当前机械位置与电气值关联，之后上电即知当前位置，无需执行物理运动式的回原操作。这是解决回原干涉问题最根本的硬件方案。
增量式编码器系统：编码器仅输出位置变化的脉冲（A/B相），并有一个每转出现一次的Z相信号（零位脉冲）。系统无法记忆绝对位置，必须通过“回原”运动来寻找物理基准点。本报告主要针对此类系统展开。

第二章：回原系统架构对比分析

2.1 上位机（PLC/运动控制器）主导的回原架构

2.1.1 系统构成

信号路径：正限位（+LS）、负限位（-LS）、原点传感器（ORG，或称Home Sensor）的物理信号线直接接入PLC的DI模块。
控制路径：PLC通过脉冲（Pulse/Dir）或模拟量（±10V）指令控制伺服驱动器。
决策核心：PLC。它实时读取传感器状态，根据预设的回原模式（在PLC程序中或运动控制器参数中设定），自主控制电机的速度、方向切换，并捕获Z相信号。

2.1.2 工作流程

PLC发起回原命令。
PLC控制电机按预设方向（如负向）启动，以较高速度（爬行速度）移动。
当原点传感器（ORG）信号有效时，PLC立即控制电机减速至一个极低的速度（接近速度）。
电机低速运行，直到原点传感器信号失效，同时PLC开始捕捉来自驱动器的Z相信号（通过高速计数器或专用输入点）。
在Z相信号第一个上升沿（或下降沿）到来时，PLC立即停止电机，并将此位置设定为坐标零点。可额外设置一个原点偏移量。
回原完成信号置位。

2.1.3 优缺点

优点：
- 逻辑灵活：回原逻辑完全由PLC程序控制，可轻松实现复杂、定制化的回原序列。
- 集中监控：所有关键传感器状态在PLC中一目了然，便于诊断。
- 成本可能较低：对于点数不多的系统，无需依赖更贵的总线型驱动器。
缺点：
- 接线复杂：需要为每个轴单独布传感器信号线到PLC。
- 实时性要求高：对Z相的捕捉需要PLC有高速输入能力，且程序扫描周期和通信延迟可能影响精度。
- 依赖PLC性能：多轴同时回原时，对PLC的运算和IO响应能力是考验。

2.2 伺服驱动器主导的回原架构（总线控制模式）

2.2.1 系统构成

信号路径：正限位（+LS）、负限位（-LS）、原点传感器（ORG）的物理信号线直接接入伺服驱动器的DI端口。
控制路径：PLC通过现场总线（如EtherCAT、PROFINET、CANopen等）与伺服驱动器通信，下发控制字和目标位置/速度，并读取状态字和实际位置。
决策核心：伺服驱动器。PLC仅需通过总线发送一个“启动回原”的命令（设置驱动器的控制字和模式字），具体的回原运动控制、传感器响应、Z相捕捉均由驱动器内部硬件高速完成。

2.2.2 工作流程

PLC通过总线向驱动器写入指定的“回原模式”参数和启动命令。
驱动器根据内置算法，自主控制电机运动，处理本地连接的传感器信号。
回原完成后，驱动器将状态字中的“回原完成”位（或通过对象字典）置位，并反馈最终确定的零点坐标值给PLC。
PLC读取到完成状态，得知回原成功。

2.2.3 优缺点

优点：
- 接线简洁：传感器线就近接入驱动器，大幅减少至PLC的布线。
- 实时性与精度高：驱动器内部硬件处理信号，无通信延迟，Z相捕捉精度可达一个编码器脉冲以内。
- 标准化：符合CiA 402等国际标准，不同品牌设备间行为一致，调试界面化。
- 减轻PLC负担：PLC只需管理命令和状态，适合多轴系统。
缺点：
- 逻辑相对固定：回原模式由驱动器厂商预定义，虽然模式丰富，但极端定制化逻辑实现困难。
- 驱动器成本：通常支持此功能的驱动器价格更高。
- 诊断分散：需要通过网络或驱动器面板查看传感器状态。

第三章：回原模式与参数详解

无论采用哪种架构，其回原的底层逻辑都遵循一些经典模式。以下是基于CiA 402标准定义的常见回原模式（HM： Homing Method）：

3.1 基本回原模式

模式1：负向极限触发，寻找Z相 (HM = 1)
- 过程：电机以高速向负方向运动，直到触发负限位开关。然后反向低速运动，离开负限位后，寻找第一个Z相信号作为原点。这是最常用、最安全的模式之一，确保从负限位开始寻零。
模式2：正向极限触发，寻找Z相 (HM = 2)
- 过程：与模式1对称，先正向触正限位，再反向寻Z相。
模式17/21：原点传感器触发，反向寻找Z相 (HM = 17或21，取决于标准版本)
- 过程：电机以高速向指定方向运动，直到触发原点传感器。然后反向低速离开传感器，在传感器信号下降沿后，寻找第一个Z相信号作为原点。此模式回原路径最短。
模式35：仅寻找Z相 (HM = 35)
- 过程：电机在当前方向上低速移动，直接寻找第一个Z相信号作为原点。风险极高，必须确保电机当前位于一个Z相信号周期内，否则会随意定位。通常不推荐在生产设备中使用。

3.2 关键回原参数

回原高速/低速：高速用于快速接近目标传感器，低速用于精确捕捉Z相，低速越低，停止位置越精确，但时间越长。
回原加速度：影响回原过程的时间和平稳性。
原点偏移量：在找到的物理原点（Z相点）基础上，进行坐标偏移。用于补偿机械零点与工艺零点的不重合。
回原方向：初始运动的方向。
极限开关作用：可设为“立即停止并报警”或“用于回原流程触发”。

第四章：特殊回原场景与高级应用

4.1 转矩（力矩）回原
这是一种在无法安装或不便安装标准传感器情况下的智能回原方案。

原理：电机以较低速度和恒定的转矩限制向预设方向运动。当机构接触到物理挡块（如橡胶块、弹簧柱塞）时，负载扭矩增大。驱动器检测到实际输出扭矩达到设定限制值，即判定为“碰到机械挡块”。
流程：
1. 启动转矩回原模式，电机恒转矩运行。
2. 碰挡块，触发转矩到达信号。
3. 电机停止，并记录当前位置为“挡块位置”。
4. 电机以微小转矩反向脱离挡块。
5. （关键逻辑）：此时，可以切换回原模式！例如，切换到“模式35”，从脱离后的位置开始反向低速寻找Z相。或者，可以设定一个固定的偏移距离后退，再寻Z相。
优点：无需传感器，结构简单，抗污染。
缺点：对机械结构和挡块强度有要求，回原时间可能较长，精度略低于传感器方式。

4.2 回原逻辑的灵活切换与复合策略
这是解决复杂回原问题的关键。现代运动控制器允许在一个回原序列中动态改变参数和模式。

应用场景：解决“回原干涉”。
- 问题描述：设备有多个运动轴，若按常规顺序回原，A轴可能会与已回原的B轴上的机构发生碰撞。
- 逻辑处理方案：
  1. 顺序优化：改变回原顺序，让可能产生干涉的轴最后回原。
  2. 路径避让：为A轴设计一个特殊的回原路径。例如，先让A轴向安全方向移动一段距离（“预回原位置”），再进行标准的传感器回原。
  3. 模式切换：如前述，先采用转矩回原碰到安全挡块，确认在安全区域后，再切换为高精度Z相回原。
  4. 条件判断：在PLC程序中，根据其他轴的状态、夹具的开合状态，动态选择当前轴的回原模式和方向。

4.3 “是否需要回原”的考量

必须回原：使用增量式系统，且要求绝对定位的场合。
无需每次回原：
- 设备运行周期内不掉电。
- 采用绝对值系统（多圈绝对值）。
- 某些场合仅需相对定位（如送料，每次从当前位置前进固定距离）。
选择性回原：在设备配方中，不同产品可能对应不同的零点偏置。可通过“原点偏移”功能实现，而无需重新执行物理回原。

第五章：工程实践与故障排除

5.1 回原干涉问题的系统化解决思路

精确描述干涉：哪两个（或以上）轴干涉？在回原路径的哪一段发生？
分析现有逻辑：绘制当前各轴的回原路径图（方向、速度、触发条件）。
设计规避路径：
- 空间规避：修改回原方向或起始点。
- 时间规避：严格序列化，确保A轴到达安全点后，B轴才启动回原。
- 逻辑互锁：在回原程序中加入轴位置条件判断。
- 引入虚拟挡块：利用软件的“位置比较”或“软限位”功能，在程序内设定一个安全边界，回原到此边界即切换模式或停止。
仿真与测试：在调试软件中模拟，然后在低速、监控下实地测试。

5.2 常见回原故障

回原超时：传感器故障、接线错误、方向错误导致找不到传感器。
回原后原点漂移：Z相捕捉不可靠（信号干扰）、机械松动、原点偏移参数被意外修改。
回原过程振动或冲击：加速度设置过大，或碰到硬限位。
总线回原无响应：驱动器回原模式参数设置与PLC发送的命令不匹配，或状态字映射错误。

第六章：结论与选型建议

回原功能是运动控制系统的基石，其设计优劣直接影响设备的可靠性、精度和安全性。

对于新项目选型：
- 优先考虑总线伺服+驱动器回原架构，这是当前工业自动化的发展趋势，在性能、精度和布线上有显著优势。
- 若对成本极度敏感且轴数少，逻辑简单，可选择PLC回原架构。
- 强烈考虑绝对值编码器，虽然单台电机成本增加，但能彻底省去回原时间和故障风险，从全生命周期看可能更经济，尤其适合高端、高节拍设备。
对于现有系统优化：
- 在硬件不变（增量系统）的前提下，深度挖掘控制器的回原逻辑编程能力是实现突破的关键。
- 通过复合回原策略（顺序、路径、模式动态切换），完全有可能在不增加硬件成本的情况下，巧妙、可靠地解决回原干涉等复杂问题。
- 文档化回原逻辑和参数，对于后续维护至关重要。