基于附加絕對(duì)值編碼器和伺服驅(qū)動(dòng)的定位系統(tǒng)

金德華

（上海鍋爐廠有限公司，上海 200245）

0 引言

目前，工廠中大量使用定位控制技術(shù)，為了定位方便，絕對(duì)值位置定位系統(tǒng)是一種較好的選擇。在采用通用型伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)構(gòu)建的絕對(duì)定位系統(tǒng)中，選用的伺服系統(tǒng)必須是帶有絕對(duì)值編碼器。這種編碼器一般采用鋰電池來(lái)保持?jǐn)嚯娭笪恢脭?shù)據(jù)的儲(chǔ)存。在實(shí)際使用中，這種方式存在3 個(gè)問(wèn)題：①鋰電池壽命有限，2 年左右需要調(diào)換一次，對(duì)于維護(hù)力量不足的用戶，極易錯(cuò)過(guò)調(diào)換時(shí)機(jī)導(dǎo)致位置丟失；②在修理中，如果不小心拔下了編碼器電纜，也會(huì)導(dǎo)致位置數(shù)據(jù)丟失；③會(huì)發(fā)生隨機(jī)性的位置丟失現(xiàn)象，某些知名品牌也會(huì)發(fā)生這種現(xiàn)象。所以在實(shí)際應(yīng)用中，需要一種可靠實(shí)用的定位控制方案來(lái)解決這些問(wèn)題。

1 絕對(duì)位置定位方案

針對(duì)上述問(wèn)題，構(gòu)建全新的絕對(duì)值位置定位系統(tǒng)技術(shù)方案。

1.1 機(jī)械結(jié)構(gòu)

在圖1 中，伺服電機(jī)通過(guò)變速箱帶動(dòng)絲桿旋轉(zhuǎn)，驅(qū)動(dòng)工作臺(tái)左右運(yùn)動(dòng)；絕對(duì)值編碼器由絲桿通過(guò)變速箱驅(qū)動(dòng)。絕對(duì)編碼器用于確定工作臺(tái)停止時(shí)的當(dāng)前絕對(duì)位置值，伺服電機(jī)根據(jù)絕對(duì)編碼器在工作臺(tái)停止時(shí)測(cè)得的絕對(duì)位置值，作增量定位操作。

1.2 定位系統(tǒng)構(gòu)成

圖2 是絕對(duì)值定位系統(tǒng)的硬件配置與系統(tǒng)框圖，絕對(duì)值編碼器的位置信號(hào)通過(guò)PLC 上的RS485 接口，由PLC 讀入控制系統(tǒng)；PLC 發(fā)出定位脈沖信號(hào)給伺服驅(qū)動(dòng)器，實(shí)現(xiàn)定位操作。工作機(jī)理：在伺服電機(jī)停止情況下，PLC 通過(guò)RS485 接口與絕對(duì)值編碼器通信，讀入工作臺(tái)的當(dāng)前位置值；PLC 根據(jù)定位要求（定位位置指令）和當(dāng)前的絕對(duì)位置值，計(jì)算出當(dāng)前位置到目標(biāo)位置的增量位置指令值，然后發(fā)出該指令值到伺服驅(qū)動(dòng)器，工作臺(tái)將移動(dòng)到給定的目標(biāo)位置處。

圖2 控制系統(tǒng)硬件配置與系統(tǒng)框架

1.3 硬件選擇

絕對(duì)值編碼器選擇無(wú)需電池的真絕對(duì)值編碼器，支持通信接口及其通信協(xié)議。本方案選用GMX60 系列多圈絕對(duì)值編碼器，支持modbus RTU 通信協(xié)議。伺服驅(qū)動(dòng)器和伺服電機(jī)選用普通增量式伺服系統(tǒng)，本方案選用臺(tái)達(dá)ASD-A2 系列。根據(jù)絕對(duì)值編碼器的通信要求及臺(tái)達(dá)伺服系統(tǒng)的控制要求，應(yīng)支持RS485 通信和定位脈沖輸出的小型PLC，在本方案中選用三菱FX3U 系列PLC。

2 編碼器絕對(duì)位置數(shù)據(jù)讀取及設(shè)置

為了實(shí)現(xiàn)絕對(duì)位置數(shù)據(jù)讀取，在硬件上，PLC 通過(guò)其485 接口與編碼器的通信接口相連；在軟件上，應(yīng)根據(jù)編碼器的通信協(xié)議編制相應(yīng)的通信程序。

2.1 絕對(duì)值編碼器的通信協(xié)議

該絕對(duì)值編碼器的通信速率支持9600 bps、192 00 bps、38 400 bps、57 600 bps、115 200 bps，默認(rèn)為19 200 bps。1 個(gè)停止位，1 個(gè)偶校驗(yàn)位，使用Modbus/RTU 通信協(xié)議。讀取主測(cè)量值指令見(jiàn)表1，A=站號(hào)，這里設(shè)為1 號(hào)站；B=指令，04H 為讀取測(cè)量值指令；C、D=存儲(chǔ)測(cè)量值寄存器的起始地址，為0001H；E、F=讀取數(shù)據(jù)的長(zhǎng)度，即從起始地址開始的數(shù)據(jù)字的數(shù)量，這里為4個(gè)字的數(shù)據(jù)；G、H=CRC 校驗(yàn)碼。

表1 讀取主測(cè)量值指令

當(dāng)編碼器接收上述指令后，回復(fù)下列數(shù)據(jù)串（表2）。a=編碼器地址，與讀取指令中的地址值一致；b=指令代碼值，與讀取指令中的指令代碼值一致；c=編碼器送出的數(shù)據(jù)字節(jié)數(shù)，為8 個(gè)字節(jié)；d～g=位置數(shù)據(jù)值；h～k=速度數(shù)據(jù)值；i、m=校驗(yàn)碼。在這些數(shù)據(jù)中，需要的數(shù)據(jù)是d～g 構(gòu)成的位置數(shù)據(jù)。

表2 回復(fù)數(shù)據(jù)串

2.2 PLC 通信程序編制

FX3U PLC 支持無(wú)協(xié)議通信，提供了無(wú)協(xié)議通信指令RS 指令。根據(jù)2.1 節(jié)的編碼器通信指令規(guī)則，采用RS 指令實(shí)現(xiàn)PLC對(duì)編碼器位置值得讀取。

在圖3 程序段中，D10～D17 用于存儲(chǔ)讀取位置值的指令代碼，為RS 指令的發(fā)送數(shù)據(jù)區(qū)；D100～D112 用于存儲(chǔ)接收的數(shù)據(jù)，是RS 指令的接收數(shù)據(jù)區(qū)。當(dāng)運(yùn)動(dòng)停止標(biāo)志M10=1 時(shí)，利用M8012 每100 ms 置位一次指令發(fā)送請(qǐng)求M8122，PLC 向編碼器發(fā)出讀取指令，然后M8122 自動(dòng)復(fù)位。當(dāng)接收數(shù)據(jù)完成時(shí)，M8123=1，程序段④用于將接收區(qū)的數(shù)據(jù)存入D100～D112，同時(shí)將M8123 復(fù)位。在D100～D112 中，D103～D106 儲(chǔ)存了絕對(duì)編碼器的當(dāng)前位置值。由于原始位置數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)格式與三菱PLC 的數(shù)據(jù)寄存器格式有差異，所以必須進(jìn)行轉(zhuǎn)換，其對(duì)應(yīng)關(guān)系見(jiàn)表3。程序段⑤用于完成這種轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換后的位置值存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)寄存器D120、D121 中。

圖3 位置數(shù)據(jù)讀取程序

表3 對(duì)應(yīng)關(guān)系

2.3 絕對(duì)位置零位設(shè)置

該絕對(duì)值編碼器具備任意位置值設(shè)置功能，可將工作臺(tái)移到一參考機(jī)械位置后，將絕對(duì)值編碼器當(dāng)前位置設(shè)置為對(duì)應(yīng)的位置值。

編碼器置位原理如圖4 所示，當(dāng)繼電器觸點(diǎn)K 動(dòng)作時(shí)，編碼器位置設(shè)置端SET 從正常狀態(tài)的低電平變?yōu)楦唠娖剑幋a器的當(dāng)前位置值被設(shè)置為一個(gè)固定的預(yù)置值。該預(yù)置值可用編碼器配套的專用設(shè)置軟件進(jìn)行設(shè)置。該預(yù)置值默認(rèn)為0，一般情況下，可將工作臺(tái)移到機(jī)械零位，然后使K 得電，將編碼器當(dāng)前值設(shè)置為0，使實(shí)際位置與編碼器位置同步。

3 伺服系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)方式

圖4 編碼器置位原理

在圖2 中可以看到，PLC 控制伺服系統(tǒng)的方式是PLC 在其高速輸出端向伺服驅(qū)動(dòng)器發(fā)出定位脈沖指令，伺服電機(jī)（工作臺(tái)）的運(yùn)動(dòng)距離取決于PLC 發(fā)出的脈沖數(shù)量，運(yùn)動(dòng)速度取決于脈沖頻率。

在這種控制方式中，對(duì)于伺服驅(qū)動(dòng)器而言，接收到伺服電機(jī)的脈沖編碼器輸出的位置脈沖反饋，構(gòu)成一個(gè)半閉環(huán)的位置控制系統(tǒng)。對(duì)于控制器PLC 而言，PLC 知道當(dāng)前發(fā)出的定位脈沖數(shù)，但無(wú)法知道伺服電機(jī)或工作臺(tái)實(shí)際的位置，是一個(gè)開環(huán)位置控制系統(tǒng)。在伺服系統(tǒng)沒(méi)有報(bào)警的情況下，PLC 發(fā)出的定位脈沖數(shù)與工作臺(tái)的運(yùn)動(dòng)位置是嚴(yán)格對(duì)應(yīng)的，也就是說(shuō)，PLC 通過(guò)自身發(fā)出的定位脈沖數(shù)，從而間接測(cè)得工作臺(tái)當(dāng)前位置。當(dāng)伺服驅(qū)動(dòng)器報(bào)警，或者系統(tǒng)失電，位置立即丟失，需重新回參考點(diǎn)。

4 定位系統(tǒng)控制程序

基于上述系統(tǒng)構(gòu)成，本系統(tǒng)將實(shí)現(xiàn)工作臺(tái)絕對(duì)位置定位控制和相對(duì)位置定位控制。

4.1 工作臺(tái)位置與編碼器位置數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換

絕對(duì)值編碼器的絕對(duì)位置數(shù)據(jù)與工作臺(tái)的實(shí)際位置存在固定的對(duì)應(yīng)關(guān)系，即線性關(guān)系。設(shè)其比例系數(shù)為K1，該系數(shù)與絲桿螺距、安裝編碼器的變速箱速比及編碼器的分辨率有關(guān)。設(shè)編碼器絕對(duì)位置數(shù)據(jù)為N1，則工作臺(tái)位置P=K1×N1。

4.2 工作臺(tái)移動(dòng)距離與PLC 定位脈沖數(shù)的轉(zhuǎn)換

PLC 發(fā)出一定量的定位脈沖，驅(qū)動(dòng)伺服電機(jī)旋轉(zhuǎn)，伺服電機(jī)通過(guò)傳動(dòng)變速箱帶動(dòng)絲桿旋轉(zhuǎn)，絲桿再帶動(dòng)工作臺(tái)移動(dòng)。所以，工作臺(tái)移動(dòng)的距離與PLC 定位脈沖數(shù)具有固定的對(duì)應(yīng)關(guān)系。設(shè)其比例系數(shù)為K2，該系數(shù)與絲桿螺距、安裝電機(jī)的變速箱速比及驅(qū)動(dòng)伺服轉(zhuǎn)1 轉(zhuǎn)所需脈沖數(shù)有關(guān)。絲桿螺距和變速箱速比由機(jī)械設(shè)計(jì)決定，而驅(qū)動(dòng)伺服轉(zhuǎn)1 轉(zhuǎn)所需脈沖數(shù)可在伺服驅(qū)動(dòng)器參數(shù)中設(shè)置。設(shè)PLC 定位脈沖數(shù)為位置數(shù)據(jù)為N2，則工作臺(tái)移動(dòng)距離L=K2×N2。

4.3 工作臺(tái)絕對(duì)定位和相對(duì)定位的實(shí)現(xiàn)

在定位啟動(dòng)之前，工作臺(tái)處于停止?fàn)顟B(tài)，PLC 讀取絕對(duì)值編碼器的一個(gè)固定的編碼器絕對(duì)位置數(shù)據(jù)值，通過(guò)運(yùn)算得到工作臺(tái)當(dāng)前位置P0=K1×N1。

（1）絕對(duì)定位方式。設(shè)定位目標(biāo)位置為Px，則需要移動(dòng)距離為L(zhǎng)=Pa-P0。PLC 執(zhí)行相對(duì)定位指令，位置指令脈沖數(shù)=L/K2。

（2）相對(duì)定位方式。設(shè)定位目標(biāo)距離為Px，則需要移動(dòng)距離為L(zhǎng)=Px。PLC 執(zhí)行相對(duì)定位指令，位置指令脈沖數(shù)N2=L/K2。

4.4 程序編制

在程序（圖5）中，帶圈的字符在實(shí)際程序中是數(shù)據(jù)寄存器，這里是為方便敘述。程序段①用于在定位啟動(dòng)時(shí)，將絕對(duì)值編碼器的位置數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成工作臺(tái)絕對(duì)位置值。在定位啟動(dòng)前，工作臺(tái)處于停止?fàn)顟B(tài)，系統(tǒng)讀取了絕對(duì)值編碼器的位置數(shù)據(jù)。在啟動(dòng)指令上升沿計(jì)算得到工作臺(tái)當(dāng)前的絕對(duì)位置值。該位置值可用于后續(xù)程序計(jì)算距離目標(biāo)位置的距離。程序段②用于計(jì)算絕對(duì)定位方式時(shí)工作臺(tái)需行走的距離，程序段③用于計(jì)算相對(duì)定位方式時(shí)工作臺(tái)需行走的距離。程序段④用于將工作臺(tái)需行走的距離換算成定位脈沖數(shù)。程序段⑤用于執(zhí)行定位操作。在這里，僅使用了相對(duì)定位指令，有關(guān)位置計(jì)算前面程序已完成。

圖5 定位控制程序

5 結(jié)束語(yǔ)

該定位方案應(yīng)用于一臺(tái)兩軸點(diǎn)位控制的專用設(shè)備上，取得了很好使用效果，方案得到了有效驗(yàn)證。該方案具有優(yōu)點(diǎn)：①斷電后重啟時(shí)，無(wú)需重回原點(diǎn)；②伺服系統(tǒng)報(bào)警時(shí)，位置不丟失；③無(wú)需換電池，維護(hù)簡(jiǎn)單；④系統(tǒng)可靠性高。