許 睿，陳志帥，馬曉鳳

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第二研究所，山西 太原 030024)

0 引言

在以伺服電機(jī)為執(zhí)行器件的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)中，伺服電機(jī)的編碼器既能檢測(cè)伺服電機(jī)在1轉(zhuǎn)內(nèi)的位置，又對(duì)伺服電機(jī)旋轉(zhuǎn)周數(shù)進(jìn)行計(jì)數(shù)。不管PLC的電源處于ON或OFF狀態(tài)，絕對(duì)位置編碼器都能夠?qū)崟r(shí)檢出伺服電機(jī)的絕對(duì)位置，并通過電池供電的計(jì)數(shù)器備份數(shù)據(jù)。因而在機(jī)械安裝后只要進(jìn)行一次原點(diǎn)復(fù)歸，以后接通電源時(shí)不需進(jìn)行原點(diǎn)復(fù)歸也能工作。在停電或出現(xiàn)故障后，可以很容易地恢復(fù)運(yùn)行。這就是三菱MR-JE系列伺服驅(qū)動(dòng)器的絕對(duì)位置控制系統(tǒng)(Absolute position detection system)。

此外，由于絕對(duì)位置的數(shù)據(jù)是通過檢測(cè)器中內(nèi)置的超級(jí)電容器保存的，所以即使發(fā)生電纜脫落或斷線，只要在規(guī)定時(shí)間(旋轉(zhuǎn)累積計(jì)數(shù)器的數(shù)據(jù)保存時(shí)間)內(nèi)恢復(fù)供電，絕對(duì)位置數(shù)據(jù)也不會(huì)丟失。

運(yùn)動(dòng)控制器和定位模塊是三菱Q系列運(yùn)動(dòng)控制的典型產(chǎn)品，由于運(yùn)動(dòng)控制器支持SSCNET(Servo System Controller Network),可以很簡(jiǎn)便地實(shí)現(xiàn)絕對(duì)位置控制功能[1]。而定位模塊則需要編程人員通過編寫PLC與伺服驅(qū)動(dòng)器的通信程序來獲取絕對(duì)位置值。

在絕對(duì)系統(tǒng)中，定位控制是以O(shè)P 為參考的指定位置(絕對(duì)地址)執(zhí)行定位，把該地址當(dāng)作定位地址(起動(dòng)點(diǎn)可以在任何地方)。在增量系統(tǒng)中，則是把當(dāng)前停止機(jī)器的位置當(dāng)作起動(dòng)點(diǎn)，并以指定位移方向?qū)χ付ㄎ灰屏繄?zhí)行定位。

1 SSCNET

SSCNET(圖1)是一個(gè)專為運(yùn)動(dòng)控制所制定的網(wǎng)絡(luò)通訊協(xié)議，它是由三菱電機(jī)名古屋制作所于20世紀(jì)90年代初期發(fā)展的新一代運(yùn)動(dòng)控制架構(gòu)，通過使用數(shù)字式示波器功能﹐可以用運(yùn)動(dòng)控制器實(shí)現(xiàn)力距﹑速度﹑位置等電機(jī)信息的監(jiān)控。最新的一代(SSCNET III)采用光纖系統(tǒng)，并配合更高性能的伺服驅(qū)動(dòng)器(MR-JE-B)。SSCNET的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)可分為4層：

1) 電機(jī)控制層：建構(gòu)在三菱的MR-JE系列伺服驅(qū)動(dòng)器中，保留原本三菱的伺服控制技術(shù)并外加了通訊接口，固定時(shí)鐘接收伺服指令及傳回伺服狀態(tài)，并控制馬達(dá)的位置、速度及扭力，可通過伺服驅(qū)動(dòng)器的Station ID switch指定軸號(hào)，不受配線順序影響。

2) 網(wǎng)絡(luò)通訊層：主要的技術(shù)是在同一條網(wǎng)絡(luò)上的所有軸都依循一個(gè)固定的控制周期來動(dòng)作，也就是控制上具有多軸等時(shí)性的特性。

3) 運(yùn)動(dòng)控制層：必須有一個(gè)同步于SSCNET的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)，負(fù)責(zé)將這些指令放到SSCNET的Master IC并且將各軸信息由Master IC取回。

4) 使用者接口層：這一層是純軟件，通常會(huì)與運(yùn)動(dòng)控制層緊密配合，使用者可以通過本層實(shí)現(xiàn)復(fù)雜控制。

在上述的第1層伺服控制網(wǎng)絡(luò)(電機(jī)控制層)中，MR-JE系列伺服驅(qū)動(dòng)器以固定時(shí)鐘接收伺服指令并傳回包括電機(jī)編碼器當(dāng)前值在內(nèi)的伺服狀態(tài)，然后，運(yùn)動(dòng)控制器通過運(yùn)動(dòng)控制層把伺服狀態(tài)存放在Master IC中，同時(shí)，運(yùn)動(dòng)控制器以固定周期(8軸控制時(shí)為0.88 ms)控制各軸并更新伺服狀態(tài)。

當(dāng)PLC程序命令運(yùn)動(dòng)控制器的某軸執(zhí)行1次原點(diǎn)回歸，即1次初始化該軸OP地址，這時(shí)，執(zhí)行了原點(diǎn)回歸命令的電機(jī)的實(shí)際位置就是該軸原點(diǎn)。

圖1 SSCNET示意圖

2 定位模塊實(shí)現(xiàn)絕對(duì)控制的兩種方法

與運(yùn)動(dòng)控制器不同，定位模塊MR-JE系列伺服驅(qū)動(dòng)器實(shí)現(xiàn)絕對(duì)控制的原理是：用戶編寫PLC與伺服驅(qū)動(dòng)器通信程序，使用16點(diǎn)晶體管型輸出模塊發(fā)送“ABS請(qǐng)求”、“ABS傳送模式”和“SON”信號(hào)[2]。伺服驅(qū)動(dòng)器接收到這些信號(hào)之后，通過16點(diǎn)晶體管型輸入模塊將當(dāng)前電機(jī)編碼器當(dāng)前值(32位)低2位傳遞至PLC，并循環(huán)執(zhí)行16次。電機(jī)編碼器當(dāng)前值被讀出之后，絕對(duì)位置保存在PLC與定位模塊的共用寄存器中，以QD75D4N定位模塊為例，1軸當(dāng)前絕對(duì)位置即保存在地址為800的數(shù)據(jù)寄存器里面。

下面介紹2種可以實(shí)現(xiàn)絕對(duì)位置讀出的PLC梯形圖程序：1)以數(shù)據(jù)通信為主體的絕對(duì)位置恢復(fù)程序；2)QD75專用指令(ABRST)程序。

2.1 程序一

1) 如果伺服開啟信號(hào)(SON)和GND之間接通，將在伺服放大器電源接通時(shí)或PLC復(fù)位后收到RUN信號(hào)的上升沿開始傳輸ABS數(shù)據(jù)。另外，復(fù)位報(bào)警和緊急停止?fàn)顟B(tài)后同樣也將傳輸ABS數(shù)據(jù)。

2) 傳輸數(shù)據(jù)和校驗(yàn)出錯(cuò)時(shí)，將重新傳輸該數(shù)據(jù)。最多連續(xù)重復(fù)3次傳輸后，如果仍出錯(cuò)，則會(huì)產(chǎn)生“ABS和校驗(yàn)出錯(cuò)”。

3)“ABS傳輸模式”信號(hào)，“ABS請(qǐng)求”信號(hào)和“ABS傳輸數(shù)據(jù)準(zhǔn)備完畢”信號(hào)，信號(hào)如果在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)沒有發(fā)生預(yù)期的變化(變ON或OFF)，則會(huì)產(chǎn)生“ABS傳輸錯(cuò)誤”[3]。

伺服放大器在傳輸32位ABS數(shù)據(jù)之后，還會(huì)傳輸6位和校驗(yàn)數(shù)據(jù)。PLC用梯形圖程序計(jì)算ABS數(shù)據(jù)的和校驗(yàn)數(shù)值，和伺服放大器傳送的和校驗(yàn)數(shù)值相比較。和校驗(yàn)的計(jì)算是把每次收到的2位ABS數(shù)據(jù)相加,得到6位的和校驗(yàn)數(shù)據(jù)。如果和檢驗(yàn)失敗，此時(shí),使用PLC的梯形圖程序?qū)BS傳輸模式信號(hào)(ABSM)和伺服開啟信號(hào)(SON)置為OFF，在等待20 ms以后，再將這些信號(hào)置ON。如果連續(xù)3次重新傳輸數(shù)據(jù)后仍然無法得到正確結(jié)果，則認(rèn)為通訊處于和校驗(yàn)出錯(cuò)狀態(tài),執(zhí)行相關(guān)的出錯(cuò)處理程序。啟動(dòng)指令和ABS數(shù)據(jù)準(zhǔn)備完畢信號(hào)應(yīng)當(dāng)連鎖，這樣可使在和校驗(yàn)出錯(cuò)時(shí)無法執(zhí)行定位運(yùn)行。

2.2 程序二

[Z.ABRST "Un" (S) (D)]是恢復(fù)指定軸的絕對(duì)位置的專用指令，其中(S)是存儲(chǔ)控制數(shù)據(jù)的軟元件的起始地址；(S)+2存儲(chǔ)從伺服放大器接收的信號(hào)；(S)+3存儲(chǔ)傳送到伺服放大器的信號(hào)；(S)+4顯示PLC與伺服放大器通訊的狀態(tài)，0表示通訊完成，非0表示通訊中(系統(tǒng)存儲(chǔ))；(D)顯示該指令執(zhí)行狀態(tài)。

這兩種程序的基本原理一致，只是實(shí)現(xiàn)方法有些差異，實(shí)際使用中，我們可以直接采用ABRST指令執(zhí)行絕對(duì)位置恢復(fù)。

3 應(yīng)用實(shí)例

多刀玻璃劃線機(jī)的定位控制采用絕對(duì)位置控制，在系列產(chǎn)品中分別采用過運(yùn)動(dòng)控制器和定位模塊作為運(yùn)動(dòng)控制主體。

使用運(yùn)動(dòng)控制器時(shí)，調(diào)用SFC程序的K1控制步執(zhí)行原點(diǎn)復(fù)位。K1步程序中，定位地址D600是相對(duì)于電機(jī)OP地址而言的。

使用定位模塊時(shí)，程序如圖2所示，PLC執(zhí)行[Z.ABRST "Un" (S) (D)]之后，1軸當(dāng)前絕對(duì)位置即保存在地址為800的數(shù)據(jù)寄存器里面，[DFRO H0 K800 D800 K1]指令把該寄存器中的數(shù)據(jù)傳送給D800，當(dāng)需要重新確定原點(diǎn)時(shí)，M997置ON，CR信號(hào)(Y82)接通20ms，軸當(dāng)前地點(diǎn)將作為原點(diǎn)ABS 數(shù)據(jù)保存在EEPROM 中。

圖2 定位模塊絕對(duì)控制程序示例

4 結(jié)束語

本文所述絕對(duì)位置控制程序已經(jīng)在以運(yùn)動(dòng)控制器和定位模塊為運(yùn)動(dòng)控制單元的多刀玻璃劃線機(jī)控制系統(tǒng)中調(diào)試成功。通過該程序，實(shí)現(xiàn)了設(shè)備無傳感器的絕對(duì)位置控制。同時(shí)，本程序?qū)υ隽渴娇刂葡到y(tǒng)也有一定的借鑒意義。

[1] 三菱電機(jī)株式會(huì)社.Motion Controller (Q172/Q173) User's Manual[Z].1999.

[2] 三菱電機(jī)株式會(huì)社.Q系列定位模塊QD75P/QD75D用戶手冊(cè)(詳細(xì)篇)[Z].1999.

[3] 三菱電機(jī)株式會(huì)社.MELSERVO-JE Absolute Position Detection System Installation Guide[Z].1999.