基于BiSS 协议的磁性编码器在喷墨打印行业的应用及检测方法的实现

2022-04-26王志刚马利强

铸造设备与工艺 2022年1期

王志刚，刘轶，闫涛，马利强

（共享智能装备有限公司，宁夏银川 750021）

随着国内工业控制技术的发展与提高，各厂家及客户对控制的要求也逐步朝向高精度、高速及高动态响应发展。为了满足工控领域日益增长的需求，更好地监控整个运动控制系统运行的状态，对编码器就提出了较高的要求。

位置编码器在工业控制中承担着关键的作用，用以反馈执行机构实际的位置及运行状态，分为增量式编码器和绝对式编码器，其中增量式编码器输出的脉冲，通过脉冲变化来识别位置变化，输出从预定义位置开始发生的增量，在实际应用中为了确定预定位置，通常要有单独的传感器定位，用来识别预定的零位，而且通常要进行回零操作。绝对式编码器是直接输出数字的传感器，通过由透光和不透光的扇形区域组成的格雷码盘来识别具体位置，其采用串行通讯的方式，协议众多。增量式编码器通常适用于低性能的简单应用，而绝对式编码器则是更为复杂的对速度和位置控制有较高要求的关键应用，其中BiSS 协议因为双向、同步、高响应速度等优势被广泛应用于工业伺服控制领域，用来改善伺服运动系统的定位精度，从而为伺服运动系统精准控制及稳定运行提供了保障。本文主要针对BiSS通讯协议的应用及检测做了简要介绍，提出了一种行之有效的检测方法，可以确定磁尺及磁编码器是否异常及原因。

1 BiSS 协议及应用介绍

1.1 BiSS 协议简介

BiSS（Bidirectional Synchronous Serial）协议由德国IC-HAUS 公司开发，是一种标准开放的全数字接口，用于连接光电编码器和工业控制器。该协议现已成为传感器通信协议的国际化标准，是一种全双工同步串行总线通讯协议，其通讯速率高，达100Mbps，相对于其他串行协议，如Hiperface、EnDat等，优势明显，同时该协议具有较高的开发性和扩展性，所以在高速、高可靠性的伺服运动控制领域被广泛采用，备受工业领先企业，如Balluff，Baumer，Renishaw的青睐[1-2]。

BiSS 通讯协议中，采集数据的控制器为Master（主机），提供数据的传感器为Slave（从机），Master可以接收Slave 的数据，同时与Slave 进行双向数据通信。其组网方式分为点对点（point-to-point）方式和多从站（Multi-slave Networking）方式，二者最大的区别是，点对点方式中一个或多个传感器只对应一个设备在主控器上运行，而在多从站Master 在一个周期内可以与多个Slave 之间进行通信[3-4]。

1.2 BiSS 协议在喷墨打印行业的应用

双向同步串行接口BiSS 由于速度快，抗干扰能力强，越来越广泛地用于伺服控制领域，如对反馈装置要求快速、可靠的半导体行业，对工作盘定位要求精确的装配线，通过检测油缸位置来精准控制钢板轧制厚度的轧钢行业等，同时BiSS 通讯协议的编码器作为标准件，可以轻易地嵌入到线性驱动器中[5]。

图1 所示为基于BiSS 协议的磁编码式传感器的在喷墨打印行业的应用，该系统为闭环控制系统，主要包含直线电机及其带动的喷墨打印头，通过安装在打印头上的磁编码式检测装置对打印头的实际位置进行实时检测并反馈给控制系统，通过给定指令与反馈位置进行PID 运算控制，从而对打印头进行实时控制[3]。其中磁编码测量系统由磁编码式传感器与磁尺构成，磁尺由合成粘结好的铁磁材料安装在钢载体上，N 和S 磁极交替排列，铁磁材料以垂直、交替磁极的方式进行编码，传感器头部沿着磁性尺滑动，磁编码信息转换成专用的电子信号输出。磁尺和传感器的精度相加即为系统精度。

图1 系统结构图

图1 所述系统采用磁栅和磁编码器构成测量反馈系统，BiSS-C 是一个快速同步串行接口，用于采集来自磁栅的位置数据，其中磁编码器为主设备，主要负责采集的时间和数据传输速率，光栅是从设备，对主设备发出的信号进行响应。图2 所示为传输的数据格式，其中“MA”将位置采集请求和时间信息（时钟）从主设备传输至磁栅，“SLO”讲位置数据从光栅传输至主设备，然后同步到MA.

图2 数据传输格式

在“ACK”时间内，编码器准备传输实际位置值，在“Start”的上升沿时，它表示准备就绪，然后开始传输数据。

2 基于BiSS 协议编码器的检测

2.1 基于“BiSS-USB 适配器+BiSS Reader”的测试方案简介

为了保证磁编码测量系统能有效测量并反馈控制系统，往往需要保证磁尺和传感器均正常，在实际中会发生测量系统检测无效的情况，为了更好地锁定磁尺或磁编码器的具体问题，提出一种有效测试磁编码式传感器的方法。图3 所示为磁编码式传感器（即读数头）的测试系统方案，其中BiSS-USB 适配器为iC-Haus 公司的MB4U，MB4U可连接任何BiSS 设备，实现BiSS 通信和连到上位机的USB 接口；BiSS Reader 是iC-Haus 公司免费提供的通用BiSS 设备通信软件，通过BiSS-USB 适配器，再借助BiSS Reader 软件包括读取BiSS 数据，进行寄存器读写，多个BiSS 设备级联，读写EDS 信息等。

图3 测试系统方案

图3 所示测试方案只是静态测量，适合在实验室进行，因为只是采用一小段磁尺，所以主要是用来测试读数头的故障，避免读数头上机后发生故障造成调试周期的增加或发生其他故障。当然，如果读数头在调试或应用过程种出现故障，也可以在设备上按照上图所示连接测试软件进行测试、诊断故障。

2.2 测试方法及结果分析

将磁尺、读数头通过MB4U 连接至BiSS 协议的专用检测软件BiSS Reader，并按照表1 所示读数头各位的含义进行配置后即可开展磁编码系统的测量，其中不同读数头的“position”位数会有差异，Error、Warning 为低电平有效。

表1 读数头位的定义

如图4 所示，在软件中可以设置连续读取编码测量系统的数据，并可以将过程通讯数据保存成CSV 格式，便于分析。图4 中“1”显示为编码测量系统已通过MB4U 连接至BiSS Reader 软件，“2”表示为测量系统的当前状态，“3”对应为读取的读数头的数据每一位对应的含义。

图4 BiSS Reader 软件

除基本位的设置，还可以通过Connection-Connection Setup 对主、从设备数据的时钟频率进行设置，该读数头规定的时钟频率为0.1 Hz～10 MHz，可以在该区间内任意设置，该时钟频率影响的是数据传输的时间，较低的时钟频率会导致更长的传输时间，

通讯成功后，即可读取磁编码测量系统的通讯数据，其中“postion”显示的读数头当前的位置，表2为读取的不同位的数据，由于该试验测试读数头在静态下进行，所以“position”为固定值809908，当读数头相对磁尺移动时，则对应的位置也会跟着增加或减小。“error”和“warning”位均是低电平有效，即当报错或报警时则输出低电平，表中均为“1”，则表明通讯过程正常，无报错，无报警。