基于通信方式的三菱伺服绝对值位置控制系统
日期：2008-6-21 19:58:25 来源：《PLC&FA》
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1 引言
绝对值位置控制系统对于经常使用的点位控制系统来说，是一种非常方便实用的位置控制方式。一旦原点设置后，完毕每次停电后开机时，这种系统不需要回原点，大大方便了操作。三菱mr-j2s-a系列的伺服系统和三菱fx2n系列plc是在实际中经常用到的伺服系统和控制器，本文讨论在某些特殊的应用场合，如何应用它们来构建一个绝对值位置控制系统。
2 控制任务简介
这是一个实际使用的控制任务，参见图1示意。a点是设备的原始位置，b点是设备的工作位置。开始工作后，设备以位置控制方式移到工作位置b，然后，设备从b以速度控制方式点向a点移动。在移动过程中，执行一些其他的任务，当这些任务完成后在a与b之间的任一位置c点停止。然后以位置控制方式回到原始位置a点，这样整个工作循环结束。
图1 控制任务
2.1 控制平台
三菱j2s-a系列的伺服系统和三菱fx2n系列plc的功能和特性：三菱mr-j2s-a系列的伺服系统中伺服电机的编码器为每转为131072线的绝对值编码器，伺服驱动器能够在停电情况下记住伺服电机的当前位置。该伺服系统有位置控制、速度控制和转矩控制三种运行方式。同时该伺服系统内置绝对位置专用传输协议，如果菱mr-j2s-a系列的伺服系统工作在位置方式，则可配合fx2n系列plc的dabs（读绝对位置）指令，在伺服驱动器通电后伺服on（son信号）有效时，plc中读出伺服电机的当前位置。但仅在son信号接通时的上升沿开始传输当前伺服电机位置一次，在son信号接通以后将不再传输伺服电机的当前绝对位置。伺服电机的当前绝对位置由位置控制装置（如fx2n-1pg模块）根据发出的脉冲数来确定。这实际上是一个开环控制系统。在不发生报警或者脉冲传输不受到干扰的情况下，整个位置控制系统的位置将不会丢失。如果工作在速度控制方式则不能在son接通时读取伺服电机的绝对位置，在整个工作过程中，也无法确定取伺服电机的绝对位置。图2是典型的位置控制系统配置图。
图2 系统配置
2.2 任务分析
在本任务中，伺服驱动器将工作在位置控制和速度控制两种方式。a点和b点的定位操作，要求控制系统必需记住伺服电机的位置，但由于b点与c点之间的速度运行方式，使得传统的控制系统不能获知伺服电机的位置。因为尽管在位置方式位置控制器能确定伺服电机的位置，但在伺服驱动器从位置方式转变为速度方式后，位置控制器将不起作用，所以也无法确定伺服电机的位置。由于在整个控制过程中，既有位置控制方式，又有速度控制方式，所以典型的传统控制配置将不能满足本控制任务，必须采用一种新的控制方式来实现控制。
3 控制方案的硬件配置
上述问题的基本解决思路是通过plc与伺服驱动器的通讯方式，来实时读取伺服电机的当前实际位置，这样不管伺服系统处于位置控制方式，还是在速度控制方式，控制系统都能知道伺服电机的当前位置，从而使系统能正确地定位在a点和b点。通过查阅资料，我们了解到三菱j2s系列伺服系统除了内置绝对位置专用传输协议外，还内置了三菱伺服通讯协议；三菱fx2n系列内置了无协议通讯指令（rs指令），所以我们可使用rs指令根据伺服驱动器的通讯协议来读取电机当前位置。图3是控制系统框图。
图3 系统框图
在图3中，fx2n系列plc为主控制器，扩展特殊模块fx2n-1pg为定位模块，其输出为频率和脉冲数可控的定位脉冲。当plc主系统通过通讯方式获得伺服电机当前位置的前提下，能在定位指令的驱动下，驱动伺服电机到给定位置；扩展特殊模块fx2n-4da模拟量输出模块，其输出为0到正负10v的电压信号；fx2n-485bd为485通讯卡，它和mr-j2s-a伺服驱动器的rs-422相连；fx2n主机通过485bd-rs422口与伺服驱动器进行通信，读取伺服电机的当前绝对位置。当处于位置控制方式时，电机由fx2n-1pg定位模块发出的定位脉冲来控制，包括其运转速度和目标位置。当位置/速度切换信号有效时，伺服驱动器切换为速度控制方式，由模拟量模块输出的0到正负10v来控制其速度大小和运动方向。安装在plc主机上的485通讯卡与伺服驱动器上rs-422口进行通讯，随时读取伺服电机的当前绝对位置值。
4 控制软件编制
在本控制系统的软件中，主要是通讯程序的编制。其他一些如定位控制、位置速度控制方式的切换、模拟量速度控制等程序比较普通，在此不予介绍，我们着重介绍plc主机如何通过485通讯卡来读取伺服驱动器中伺服电机的当前绝对位置的控制软件。
4.1 三菱mr-j2s-a伺服系统通讯协议
该伺服系统具有rs422串行通讯功能，伺服系统作为从站，控制器作为主站。主控制器通过该通讯功能可实现对伺服驱动器的运行控制、参数的修改读取、伺服驱动器当前运动状态的读取等。我们在这里只需要读取伺服电机的当前绝对位置值。
（1）通讯格式:
（2）通讯协议：三菱j2s系列伺服系统的通讯协议大致分为四种格式：从控制器向伺服驱动器发送数据、控制器从伺服驱动器接送数据、通讯超时处理、通讯重试。在这里我们主要使用第二种格式的通讯协议，即控制器从伺服驱动器接送数据的通讯协议。该种格式的通讯协议：
在上述协议中，所有报文均以ascii码表示。在主站控制器发出的报文中，soh（通讯开始）、stx（报文开始）和etx（报文结束）的ascii码分别为01h、02h和03h。读绝对位置的指令为02，则对应的ascii码为30h、31h，绝对位置值（指令脉冲单位）对应的数据号为91，对应的ascii码为39h、31h。站号是在伺服驱动器中设置的站号，假如设置为0时，则对应的ascii码为30h。其校验和的计算范围为站号到etx，将其每一位数据的ascii码进行求和，得到结果的低二位即为校验和数据。在主站控制器收到的报文中，stx、站号、etx与前面一样，不再重复了。当通讯正常时，错误代码为a（伺服不报警时）或a(伺服报警时)，当通讯不正常时，则错误代码不等于a或a，而是其他字符。数据即为绝对位置数据，长度为8帧。其校验和的计算范围也是为站号到etx，也是取每位ascii码计算和的低二位。
（3）相关的驱动器参数：p#16参数用于设置波特率、rs232/rs422通讯选择、通讯等待时间。我们选用波特率为19200pbs,rs422通讯口，通讯等待时间有效，则p#16=1101。
p#15参数用于设置站号，在本案中设为0。
4.2 fx2n系列plc无协议通讯指令(rs指令)
fx2n系列plc内置串行数据传送指令，可以通过rs-232或rs-422通讯口与其它设备进行串行通讯。其通讯协议可根据所要与其进行通讯的设备的通讯协议进行编制。
（1）通讯格式：串行数据传送rs指令的通讯格式通过plc的特殊数据寄存器d8120来设置。在最新的fx3u系列plc中可通过设置plc参数来设置，而在fx2n中只能通过plc程序来设置。本案中d8120的b15-b8只能设置为00001100，在此不作介绍。b7-b0用于设置传输的波特率、数据长度等，这些参数必须与j2s伺服驱动器的通讯参数相一致。当b7-b4=1001时，对应的传输波特率为19200 bps；当b3=0时，对应停止位为1位；当b2b1=11时，对应奇偶校验为偶校验；当b0=1时，对应的数据长度为8位。所以d8120=0000110010000111，即h0c97。
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绝对值位置控制系统对于经常使用的点位控制系统来说，是一种非常方便实用的位置控制方式。一旦原点设置后，完毕每次停电后开机时，这种系统不需要回原点，大大方便了操作。三菱mr-j2s-a系列的伺服系统和三菱fx2n系列plc是在实际中经常用到的伺服系统和控制器，本文讨论在某些特殊的应用场合，如何应用它们来构建一个绝对值位置控制系统。
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这是一个实际使用的控制任务，参见图1示意。a点是设备的原始位置，b点是设备的工作位置。开始工作后，设备以位置控制方式移到工作位置b，然后，设备从b以速度控制方式点向a点移动。在移动过程中，执行一些其他的任务，当这些任务完成后在a与b之间的任一位置c点停止。然后以位置控制方式回到原始位置a点，这样整个工作循环结束。
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在图3中，fx2n系列plc为主控制器，扩展特殊模块fx2n-1pg为定位模块，其输出为频率和脉冲数可控的定位脉冲。当plc主系统通过通讯方式获得伺服电机当前位置的前提下，能在定位指令的驱动下，驱动伺服电机到给定位置；扩展特殊模块fx2n-4da模拟量输出模块，其输出为0到正负10v的电压信号；fx2n-485bd为485通讯卡，它和mr-j2s-a伺服驱动器的rs-422相连；fx2n主机通过485bd-rs422口与伺服驱动器进行通信，读取伺服电机的当前绝对位置。当处于位置控制方式时，电机由fx2n-1pg定位模块发出的定位脉冲来控制，包括其运转速度和目标位置。当位置/速度切换信号有效时，伺服驱动器切换为速度控制方式，由模拟量模块输出的0到正负10v来控制其速度大小和运动方向。安装在plc主机上的485通讯卡与伺服驱动器上rs-422口进行通讯，随时读取伺服电机的当前绝对位置值。
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（1）通讯格式:
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（3）相关的驱动器参数：p#16参数用于设置波特率、rs232/rs422通讯选择、通讯等待时间。我们选用波特率为19200pbs,rs422通讯口，通讯等待时间有效，则p#16=1101。
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fx2n系列plc内置串行数据传送指令，可以通过rs-232或rs-422通讯口与其它设备进行串行通讯。其通讯协议可根据所要与其进行通讯的设备的通讯协议进行编制。
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（1）通讯格式：串行数据传送rs指令的通讯格式通过plc的特殊数据寄存器d8120来设置。在最新的fx3u系列plc中可通过设置plc参数来设置，而在fx2n中只能通过plc程序来设置。本案中d8120的b15-b8只能设置为00001100，在此不作介绍。b7-b0用于设置传输的波特率、数据长度等，这些参数必须与j2s伺服驱动器的通讯参数相一致。当b7-b4=1001时，对应的传输波特率为19200 bps；当b3=0时，对应停止位为1位；当b2b1=11时，对应奇偶校验为偶校验；当b0=1时，对应的数据长度为8位。所以d8120=0000110010000111，即h0c97。
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