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)動系統(tǒng)構(gòu)建的絕對定位系統(tǒng)中，選用的伺服系統(tǒng)必須是帶有絕對值編碼器。這種編碼器一般采用鋰電池來保持斷電之后位置數(shù)據(jù)的儲存。在實際使用中，這種方式存在3 個問題：①鋰電池壽命有限，2 年左右需要調(diào)換一次，對于維護力量不足的用戶，極易錯過調(diào)換時機導致位置丟失；②在修理中，如果不小心拔下了編碼器電纜，也會導致位置數(shù)據(jù)丟失；③會發(fā)生隨機性的位置丟失現(xiàn)象，某些知名品牌也會發(fā)生這種現(xiàn)象。所以在實際應用中，需要一種可靠實用的定位控制方案來解決這些問題。

1 絕對位置定位方案

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

1.1 機械結(jié)構(gòu)

在圖1 中，伺服電機通過變速箱帶動絲桿旋轉(zhuǎn)，驅(qū)動工作臺左右運動；絕對值編碼器由絲桿通過變速箱驅(qū)動。絕對編碼器用于確定工作臺停止時的當前絕對位置值，伺服電機根據(jù)絕對編碼器在工作臺停止時測得的絕對位置值，作增量定位操作。

1.2 定位系統(tǒng)構(gòu)成

圖2 是絕對值定位系統(tǒng)的硬件配置與系統(tǒng)框圖，絕對值編碼器的位置信號通過PLC 上的RS485 接口，由PLC 讀入控制系統(tǒng)；PLC 發(fā)出定位脈沖信號給伺服驅(qū)動器，實現(xiàn)定位操作。工作機理：在伺服電機停止情況下，PLC 通過RS485 接口與絕對值編碼器通信，讀入工作臺的當前位置值；PLC 根據(jù)定位要求（定位位置指令）和當前的絕對位置值，計算出當前位置到目標位置的增量位置指令值，然后發(fā)出該指令值到伺服驅(qū)動器，工作臺將移動到給定的目標位置處。

圖2 控制系統(tǒng)硬件配置與系統(tǒng)框架

1.3 硬件選擇

絕對值編碼器選擇無需電池的真絕對值編碼器，支持通信接口及其通信協(xié)議。本方案選用GMX60 系列多圈絕對值編碼器，支持modbus RTU 通信協(xié)議。伺服驅(qū)動器和伺服電機選用普通增量式伺服系統(tǒng)，本方案選用臺達ASD-A2 系列。根據(jù)絕對值編碼器的通信要求及臺達伺服系統(tǒng)的控制要求，應支持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 編碼器絕對位置數(shù)據(jù)讀取及設置

為了實現(xiàn)絕對位置數(shù)據(jù)讀取，在硬件上，PLC 通過其485 接口與編碼器的通信接口相連；在軟件上，應根據(jù)編碼器的通信協(xié)議編制相應的通信程序。

2.1 絕對值編碼器的通信協(xié)議

該絕對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，默認為19 200 bps。1 個停止位，1 個偶校驗位，使用Modbus/RTU 通信協(xié)議。讀取主測量值指令見表1，A=站號，這里設為1 號站；B=指令，04H 為讀取測量值指令；C、D=存儲測量值寄存器的起始地址，為0001H；E、F=讀取數(shù)據(jù)的長度，即從起始地址開始的數(shù)據(jù)字的數(shù)量，這里為4個字的數(shù)據(jù)；G、H=CRC 校驗碼。

表1 讀取主測量值指令

當編碼器接收上述指令后，回復下列數(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 回復數(shù)據(jù)串

2.2 PLC 通信程序編制

FX3U PLC 支持無協(xié)議通信，提供了無協(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 指令實現(xiàn)PLC對編碼器位置值得讀取。

在圖3 程序段中，D10～D17 用于存儲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 用于存儲接收的數(shù)據(jù)，是RS 指令的接收數(shù)據(jù)區(qū)。當運動停止標志M10=1 時，利用M8012 每100 ms 置位一次指令發(fā)送請求M8122，PLC 向編碼器發(fā)出讀取指令，然后M8122 自動復位。當接收數(shù)據(jù)完成時，M8123=1，程序段④用于將接收區(qū)的數(shù)據(jù)存入D100～D112，同時將M8123 復位。在D100～D112 中，D103～D106 儲存了絕對編碼器的當前位置值。由于原始位置數(shù)據(jù)的存儲格式與三菱PLC 的數(shù)據(jù)寄存器格式有差異，所以必須進行轉(zhuǎn)換，其對應關(guān)系見表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 對應關(guān)系

2.3 絕對位置零位設置

該絕對值編碼器具備任意位置值設置功能，可將工作臺移到一參考機械位置后，將絕對值編碼器當前位置設置為對應的位置值。

編碼器置位原理如圖4 所示，當繼電器觸點K 動作時，編碼器位置設置端SET 從正常狀態(tài)的低電平變?yōu)楦唠娖?，編碼器的當前位置值被設置為一個固定的預置值。該預置值可用編碼器配套的專用設置軟件進行設置。該預置值默認為0，一般情況下，可將工作臺移到機械零位，然后使K 得電，將編碼器當前值設置為0，使實際位置與編碼器位置同步。

3 伺服系統(tǒng)的驅(qū)動方式

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)動器發(fā)出定位脈沖指令，伺服電機（工作臺）的運動距離取決于PLC 發(fā)出的脈沖數(shù)量，運動速度取決于脈沖頻率。

在這種控制方式中，對于伺服驅(qū)動器而言，接收到伺服電機的脈沖編碼器輸出的位置脈沖反饋，構(gòu)成一個半閉環(huán)的位置控制系統(tǒng)。對于控制器PLC 而言，PLC 知道當前發(fā)出的定位脈沖數(shù)，但無法知道伺服電機或工作臺實際的位置，是一個開環(huán)位置控制系統(tǒng)。在伺服系統(tǒng)沒有報警的情況下，PLC 發(fā)出的定位脈沖數(shù)與工作臺的運動位置是嚴格對應的，也就是說，PLC 通過自身發(fā)出的定位脈沖數(shù)，從而間接測得工作臺當前位置。當伺服驅(qū)動器報警，或者系統(tǒng)失電，位置立即丟失，需重新回參考點。

4 定位系統(tǒng)控制程序

基于上述系統(tǒng)構(gòu)成，本系統(tǒng)將實現(xiàn)工作臺絕對位置定位控制和相對位置定位控制。

4.1 工作臺位置與編碼器位置數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換

絕對值編碼器的絕對位置數(shù)據(jù)與工作臺的實際位置存在固定的對應關(guān)系，即線性關(guān)系。設其比例系數(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)。設編碼器絕對位置數(shù)據(jù)為N1，則工作臺位置P=K1×N1。

4.2 工作臺移動距離與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)動伺服電機旋轉(zhuǎn)，伺服電機通過傳動變速箱帶動絲桿旋轉(zhuǎn)，絲桿再帶動工作臺移動。所以，工作臺移動的距離與PLC 定位脈沖數(shù)具有固定的對應關(guān)系。設其比例系數(shù)為K2，該系數(shù)與絲桿螺距、安裝電機的變速箱速比及驅(qū)動伺服轉(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械設計決定，而驅(qū)動伺服轉(zhuǎn)1 轉(zhuǎn)所需脈沖數(shù)可在伺服驅(qū)動器參數(shù)中設置。設PLC 定位脈沖數(shù)為位置數(shù)據(jù)為N2，則工作臺移動距離L=K2×N2。

4.3 工作臺絕對定位和相對定位的實現(xiàn)

在定位啟動之前，工作臺處于停止狀態(tài)，PLC 讀取絕對值編碼器的一個固定的編碼器絕對位置數(shù)據(jù)值，通過運算得到工作臺當前位置P0=K1×N1。

（1）絕對定位方式。設定位目標位置為Px，則需要移動距離為L=Pa-P0。PLC 執(zhí)行相對定位指令，位置指令脈沖數(shù)=L/K2。

（2）相對定位方式。設定位目標距離為Px，則需要移動距離為L=Px。PLC 執(zhí)行相對定位指令，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用于在定位啟動時，將絕對值編碼器的位置數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成工作臺絕對位置值。在定位啟動前，工作臺處于停止狀態(tài)，系統(tǒng)讀取了絕對值編碼器的位置數(shù)據(jù)。在啟動指令上升沿計算得到工作臺當前的絕對位置值。該位置值可用于后續(xù)程序計算距離目標位置的距離。程序段②用于計算絕對定位方式時工作臺需行走的距離，程序段③用于計算相對定位方式時工作臺需行走的距離。程序段④用于將工作臺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，僅使用了相對定位指令，有關(guān)位置計算前面程序已完成。

圖5 定位控制程序

5 結(jié)束語

該定位方案應用于一臺兩軸點位控制的專用設備上，取得了很好使用效果，方案得到了有效驗證。該方案具有優(yōu)點：①斷電后重啟時，無需重回原點；②伺服系統(tǒng)報警時，位置不丟失；③無需換電池，維護簡單；④系統(tǒng)可靠性高。