基于BiSS 協(xié)議的磁性編碼器在噴墨打印行業(yè)的應(yīng)用及檢測方法的實(shí)現(xiàn)

王志剛，劉 軼，閆 濤，馬利強(qiáng)

（共享智能裝備有限公司，寧夏 銀川 750021）

隨著國內(nèi)工業(yè)控制技術(shù)的發(fā)展與提高，各廠家及客戶對控制的要求也逐步朝向高精度、高速及高動態(tài)響應(yīng)發(fā)展。為了滿足工控領(lǐng)域日益增長的需求，更好地監(jiān)控整個(gè)運(yùn)動控制系統(tǒng)運(yùn)行的狀態(tài)，對編碼器就提出了較高的要求。

位置編碼器在工業(yè)控制中承擔(dān)著關(guān)鍵的作用，用以反饋執(zhí)行機(jī)構(gòu)實(shí)際的位置及運(yùn)行狀態(tài)，分為增量式編碼器和絕對式編碼器，其中增量式編碼器輸出的脈沖，通過脈沖變化來識別位置變化，輸出從預(yù)定義位置開始發(fā)生的增量，在實(shí)際應(yīng)用中為了確定預(yù)定位置，通常要有單獨(dú)的傳感器定位，用來識別預(yù)定的零位，而且通常要進(jìn)行回零操作。絕對式編碼器是直接輸出數(shù)字的傳感器，通過由透光和不透光的扇形區(qū)域組成的格雷碼盤來識別具體位置，其采用串行通訊的方式，協(xié)議眾多。增量式編碼器通常適用于低性能的簡單應(yīng)用，而絕對式編碼器則是更為復(fù)雜的對速度和位置控制有較高要求的關(guān)鍵應(yīng)用，其中BiSS 協(xié)議因?yàn)殡p向、同步、高響應(yīng)速度等優(yōu)勢被廣泛應(yīng)用于工業(yè)伺服控制領(lǐng)域，用來改善伺服運(yùn)動系統(tǒng)的定位精度，從而為伺服運(yùn)動系統(tǒng)精準(zhǔn)控制及穩(wěn)定運(yùn)行提供了保障。本文主要針對BiSS通訊協(xié)議的應(yīng)用及檢測做了簡要介紹，提出了一種行之有效的檢測方法，可以確定磁尺及磁編碼器是否異常及原因。

1 BiSS 協(xié)議及應(yīng)用介紹

1.1 BiSS 協(xié)議簡介

BiSS（Bidirectional Synchronous Serial）協(xié)議由德國IC-HAUS 公司開發(fā)，是一種標(biāo)準(zhǔn)開放的全數(shù)字接口，用于連接光電編碼器和工業(yè)控制器。該協(xié)議現(xiàn)已成為傳感器通信協(xié)議的國際化標(biāo)準(zhǔn)，是一種全雙工同步串行總線通訊協(xié)議，其通訊速率高，達(dá)100Mbps，相對于其他串行協(xié)議，如Hiperface、EnDat等，優(yōu)勢明顯，同時(shí)該協(xié)議具有較高的開發(fā)性和擴(kuò)展性，所以在高速、高可靠性的伺服運(yùn)動控制領(lǐng)域被廣泛采用，備受工業(yè)領(lǐng)先企業(yè)，如Balluff，Baumer，Renishaw的青睞[1-2]。

BiSS 通訊協(xié)議中，采集數(shù)據(jù)的控制器為Master（主機(jī)），提供數(shù)據(jù)的傳感器為Slave（從機(jī)），Master可以接收Slave 的數(shù)據(jù)，同時(shí)與Slave 進(jìn)行雙向數(shù)據(jù)通信。其組網(wǎng)方式分為點(diǎn)對點(diǎn)（point-to-point）方式和多從站（Multi-slave Networking）方式，二者最大的區(qū)別是，點(diǎn)對點(diǎn)方式中一個(gè)或多個(gè)傳感器只對應(yīng)一個(gè)設(shè)備在主控器上運(yùn)行，而在多從站Master 在一個(gè)周期內(nèi)可以與多個(gè)Slave 之間進(jìn)行通信[3-4]。

1.2 BiSS 協(xié)議在噴墨打印行業(yè)的應(yīng)用

雙向同步串行接口BiSS 由于速度快，抗干擾能力強(qiáng)，越來越廣泛地用于伺服控制領(lǐng)域，如對反饋裝置要求快速、可靠的半導(dǎo)體行業(yè)，對工作盤定位要求精確的裝配線，通過檢測油缸位置來精準(zhǔn)控制鋼板軋制厚度的軋鋼行業(yè)等，同時(shí)BiSS 通訊協(xié)議的編碼器作為標(biāo)準(zhǔn)件，可以輕易地嵌入到線性驅(qū)動器中[5]。

圖1 所示為基于BiSS 協(xié)議的磁編碼式傳感器的在噴墨打印行業(yè)的應(yīng)用，該系統(tǒng)為閉環(huán)控制系統(tǒng)，主要包含直線電機(jī)及其帶動的噴墨打印頭，通過安裝在打印頭上的磁編碼式檢測裝置對打印頭的實(shí)際位置進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測并反饋給控制系統(tǒng)，通過給定指令與反饋位置進(jìn)行PID 運(yùn)算控制，從而對打印頭進(jìn)行實(shí)時(shí)控制[3]。其中磁編碼測量系統(tǒng)由磁編碼式傳感器與磁尺構(gòu)成，磁尺由合成粘結(jié)好的鐵磁材料安裝在鋼載體上，N 和S 磁極交替排列，鐵磁材料以垂直、交替磁極的方式進(jìn)行編碼，傳感器頭部沿著磁性尺滑動，磁編碼信息轉(zhuǎn)換成專用的電子信號輸出。磁尺和傳感器的精度相加即為系統(tǒng)精度。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

圖1 所述系統(tǒng)采用磁柵和磁編碼器構(gòu)成測量反饋系統(tǒng)，BiSS-C 是一個(gè)快速同步串行接口，用于采集來自磁柵的位置數(shù)據(jù)，其中磁編碼器為主設(shè)備，主要負(fù)責(zé)采集的時(shí)間和數(shù)據(jù)傳輸速率，光柵是從設(shè)備，對主設(shè)備發(fā)出的信號進(jìn)行響應(yīng)。圖2 所示為傳輸?shù)臄?shù)據(jù)格式，其中“MA”將位置采集請求和時(shí)間信息（時(shí)鐘）從主設(shè)備傳輸至磁柵，“SLO”講位置數(shù)據(jù)從光柵傳輸至主設(shè)備，然后同步到MA.

圖2 數(shù)據(jù)傳輸格式

在“ACK”時(shí)間內(nèi)，編碼器準(zhǔn)備傳輸實(shí)際位置值，在“Start”的上升沿時(shí)，它表示準(zhǔn)備就緒，然后開始傳輸數(shù)據(jù)。

2 基于BiSS 協(xié)議編碼器的檢測

2.1 基于“BiSS-USB 適配器+BiSS Reader”的測試方案簡介

為了保證磁編碼測量系統(tǒng)能有效測量并反饋控制系統(tǒng)，往往需要保證磁尺和傳感器均正常，在實(shí)際中會發(fā)生測量系統(tǒng)檢測無效的情況，為了更好地鎖定磁尺或磁編碼器的具體問題，提出一種有效測試磁編碼式傳感器的方法。圖3 所示為磁編碼式傳感器（即讀數(shù)頭）的測試系統(tǒng)方案，其中BiSS-USB 適配器為iC-Haus 公司的MB4U，MB4U可連接任何BiSS 設(shè)備，實(shí)現(xiàn)BiSS 通信和連到上位機(jī)的USB 接口；BiSS Reader 是iC-Haus 公司免費(fèi)提供的通用BiSS 設(shè)備通信軟件，通過BiSS-USB 適配器，再借助BiSS Reader 軟件包括讀取BiSS 數(shù)據(jù)，進(jìn)行寄存器讀寫，多個(gè)BiSS 設(shè)備級聯(lián)，讀寫EDS 信息等。

圖3 測試系統(tǒng)方案

圖3 所示測試方案只是靜態(tài)測量，適合在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行，因?yàn)橹皇遣捎靡恍《未懦?，所以主要是用來測試讀數(shù)頭的故障，避免讀數(shù)頭上機(jī)后發(fā)生故障造成調(diào)試周期的增加或發(fā)生其他故障。當(dāng)然，如果讀數(shù)頭在調(diào)試或應(yīng)用過程種出現(xiàn)故障，也可以在設(shè)備上按照上圖所示連接測試軟件進(jìn)行測試、診斷故障。

2.2 測試方法及結(jié)果分析

將磁尺、讀數(shù)頭通過MB4U 連接至BiSS 協(xié)議的專用檢測軟件BiSS Reader，并按照表1 所示讀數(shù)頭各位的含義進(jìn)行配置后即可開展磁編碼系統(tǒng)的測量，其中不同讀數(shù)頭的“position”位數(shù)會有差異，Error、Warning 為低電平有效。

表1 讀數(shù)頭位的定義

如圖4 所示，在軟件中可以設(shè)置連續(xù)讀取編碼測量系統(tǒng)的數(shù)據(jù)，并可以將過程通訊數(shù)據(jù)保存成CSV 格式，便于分析。圖4 中“1”顯示為編碼測量系統(tǒng)已通過MB4U 連接至BiSS Reader 軟件，“2”表示為測量系統(tǒng)的當(dāng)前狀態(tài)，“3”對應(yīng)為讀取的讀數(shù)頭的數(shù)據(jù)每一位對應(yīng)的含義。

圖4 BiSS Reader 軟件

除基本位的設(shè)置，還可以通過Connection-Connection Setup 對主、從設(shè)備數(shù)據(jù)的時(shí)鐘頻率進(jìn)行設(shè)置，該讀數(shù)頭規(guī)定的時(shí)鐘頻率為0.1 Hz～10 MHz，可以在該區(qū)間內(nèi)任意設(shè)置，該時(shí)鐘頻率影響的是數(shù)據(jù)傳輸?shù)臅r(shí)間，較低的時(shí)鐘頻率會導(dǎo)致更長的傳輸時(shí)間，

通訊成功后，即可讀取磁編碼測量系統(tǒng)的通訊數(shù)據(jù)，其中“postion”顯示的讀數(shù)頭當(dāng)前的位置，表2為讀取的不同位的數(shù)據(jù)，由于該試驗(yàn)測試讀數(shù)頭在靜態(tài)下進(jìn)行，所以“position”為固定值809908，當(dāng)讀數(shù)頭相對磁尺移動時(shí)，則對應(yīng)的位置也會跟著增加或減小?！癳rror”和“warning”位均是低電平有效，即當(dāng)報(bào)錯或報(bào)警時(shí)則輸出低電平，表中均為“1”，則表明通訊過程正常，無報(bào)錯，無報(bào)警。

3 結(jié)論

介紹了BiSS 協(xié)議及其在噴墨打印行業(yè)的應(yīng)用，為了判斷磁尺、讀數(shù)頭在應(yīng)用過程中可能發(fā)生的故障，提出了“BiSS-USB 適配器+BiSS Reader”的測試方法，可以通過該檢測方法對通訊過程中的位置、報(bào)警等數(shù)據(jù)進(jìn)行檢測，并記錄成CSV 格式，以供分析，判斷磁編碼測量系統(tǒng)的具體故障。

表2 讀取的數(shù)據(jù)