王志剛，劉 軼，閆 濤，馬利強

（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)控整個運動控制系統(tǒng)運行的狀態(tài)，對編碼器就提出了較高的要求。

位置編碼器在工業(yè)控制中承擔著關(guān)鍵的作用，用以反饋執(zhí)行機構(gòu)實際的位置及運行狀態(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，在實際應(yīng)用中為了確定預(yù)定位置，通常要有單獨的傳感器定位，用來識別預(yù)定的零位，而且通常要進行回零操作。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)議因為雙向、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，用來改善伺服運動系統(tǒng)的定位精度，從而為伺服運動系統(tǒng)精準控制及穩(wěn)定運行提供了保障。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)，是一種標準開放的全數(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)議的國際化標準，是一種全雙工同步串行總線通訊協(xié)議，其通訊速率高，達100Mbps，相對于其他串行協(xié)議，如Hiperface、EnDat等，優(yōu)勢明顯，同時該協(xié)議具有較高的開發(fā)性和擴展性，所以在高速、高可靠性的伺服運動控制領(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），提供數(shù)據(jù)的傳感器為Slave（從機），Master可以接收Slave 的數(shù)據(jù)，同時與Slave 進行雙向數(shù)據(jù)通信。其組網(wǎng)方式分為點對點（point-to-point）方式和多從站（Multi-slave Networking）方式，二者最大的區(qū)別是，點對點方式中一個或多個傳感器只對應(yīng)一個設(shè)備在主控器上運行，而在多從站Master 在一個周期內(nèi)可以與多個Slave 之間進行通信[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，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控制鋼板軋制厚度的軋鋼行業(yè)等，同時BiSS 通訊協(xié)議的編碼器作為標準件，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際位置進行實時檢測并反饋給控制系統(tǒng)，通過給定指令與反饋位置進行PID 運算控制，從而對打印頭進行實時控制[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，主要負責采集的時間和數(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間信息（時鐘）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”時間內(nèi)，編碼器準備傳輸實際位置值，在“Start”的上升沿時，它表示準備就緒，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，實現(xiàn)BiSS 通信和連到上位機的USB 接口；BiSS Reader 是iC-Haus 公司免費提供的通用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)，進行寄存器讀寫，多個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，適合在實驗室進行，因為只是采用一小段磁尺，所以主要是用來測試讀數(shù)頭的故障，避免讀數(shù)頭上機后發(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)的時鐘頻率進行設(shè)置，該讀數(shù)頭規(guī)定的時鐘頻率為0.1 Hz～10 MHz，可以在該區(qū)間內(nèi)任意設(shè)置，該時鐘頻率影響的是數(shù)據(jù)傳輸?shù)臅r間，較低的時鐘頻率會導(dǎo)致更長的傳輸時間，

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)頭當前的位置，表2為讀取的不同位的數(shù)據(jù)，由于該試驗測試讀數(shù)頭在靜態(tài)下進行，所以“position”為固定值809908，當讀數(shù)頭相對磁尺移動時，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，即當報錯或報警時則輸出低電平，表中均為“1”，則表明通訊過程正常，無報錯，無報警。

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、報警等數(shù)據(jù)進行檢測，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)