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應用設計

EtherCAT運動控制器中脈沖接口的快速調試與診斷

深圳市正運動技術有限公司

2023/3/22 11:19:22

脈沖型驅動器試運行可借助ZDevelop軟件快速驗證，主要包含以下四個部分：硬件接線，ZDevelop連接控制器，配置軸參數，發(fā)送運動命令查看電機是否轉動。若無法運行參見問題排查部分解決。

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一、硬件接線

以ZMC432總線運動控制器為例，支持EtherCAT、EtherNET、RS232、RS485、CAN、U盤等通訊接口，觀察控制器上的硬件接口，控制器參考架構如下圖。

可通過EtherNET網口或RS232串口連接到ZDevelop軟件完成試運行。

1.脈沖接口

正運動技術大部分控制器的脈沖控制接口為面板上提供的DB26母頭的端子，例如下圖ZMC432的AXIS端子，板載6個脈沖軸的接口。

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AIXS端子內主要包含脈沖輸出的接線端子，編碼器反饋的接線端子，驅動器的使能和報警信號，5V電源輸出和公共端，如下表所示。
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參考下圖完成控制器與驅動器的脈沖控制接線，采用了差分接法，脈沖輸出包含四個端子PUL+、PUL-、DIR+、DIR-，分別與驅動器一一對應連接即可。

帶編碼器反饋的驅動設備，差分接線方式是將EA+、EA-、EB+、EB-、EZ+、EZ-分別連接編碼器。

再將針腳3接入驅動器的使能端子上，用于控制器給驅動器上使能信號。參考上圖。

AXIS 0 軸接口端子內的使能信號為OUT12；

AXIS 1 軸接口端子內的使能信號為OUT13；

依此類推。

使能操作：OP(12,ON)，OP(13,ON)等。

驅動器報警信號通過針腳2傳入控制器，參考上圖。

AXIS 0 軸接口端子內的報警信號為IN24；

AXIS 1 軸接口端子內的報警信號為IN25；

依此類推。

驅動器報警輸入信號需要使用ALM_IN指令配置：ALM_IN(0)=24，ALM_IN(1)=25等。

脈沖的單端連接方式如下圖，下圖采用共陽極的接法，將驅動器的公共端接入DB26提供的+5V端子上。

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編碼器的單端接線圖如下，編碼器的A，B（無Z信號的型號只接AB兩相）與控制器正端子EA+、EB+一一對應連接，控制器的負端子懸空，編碼器的0V或地線端子，連接控制器軸接口內的GND端子即可，再按編碼器的供電要求接入電源。

2.IO接口

如下圖，ZMC432支持6路脈沖軸控制，IO口分普通IO口和高速IO口，普通IO口的響應頻率為10KHz，高速IO口的響應頻率為500KHz，ZMC432的高速IO口除了響應更快之外，部分還集成了特殊功能，參見下文說明。

（1）輸出口

輸出口內部電路如下圖，輸出口0-1支持PWM脈沖寬度調制輸出，同時還支持高速硬件比較輸出（PSO功能）。

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PSO功能：PSO（positionsynchronizedoutput）即位置同步輸出，本質是通過采集實時的編碼器反饋位置（無編碼器可使用輸出的脈沖位置）與比較模式設定的位置進行比較，控制OP高速同步輸出信號，PSO示意圖如下。

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PSO一般與激光器（或點膠噴射閥等設備）同步輸出信號進行相位同步，在運動軌跡的所有階段以恒定的空間（或恒定時間）間隔觸發(fā)輸出開關，包括加速、減速和勻速段，從而實現(xiàn)脈沖能量均勻地作用在被加工物體上。

PSO功能的特點就是能高速且穩(wěn)定的輸出信號，因為輸出精度足夠高，所以能夠在整個運動軌跡中以固定的距離觸發(fā)輸出信號而不用考慮總體速度，即在直線部分以很快的速度運動，而在圓角部分減速的同時也能保證輸出間距恒定。

通常圓角加工部分在整個加工過程中占有比較小的部分，這樣在保證加工效果的同時，就可以最大限度地提高產能。

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PSO功能由HW_PSWITCH2指令實現(xiàn)，此指令有多種模式，支持等距輸出、固定周期輸出，自定義位置輸出等，精度高，響應快，具體應用方法參見歷史文章。

PWM功能：對支持PWM的OUT開啟PWM功能，需設置PWM的頻率和占空比，用于點膠閥的流速控制、激光器的功率控制等場合。

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（2）輸入口

輸入口內部電路如下圖，輸入口IN0-1支持鎖存功能。

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鎖存：通過傳感器輸入信號，輸入口快速響應并鎖存編碼器當前的位置信息，支持單次鎖存和連續(xù)鎖存。

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二、ZDevelop連接控制器

采用正運動的ZDevelop開發(fā)軟件可快速完成設備的試運行，控制器一般使用網口連接到ZDevelop，選擇IP地址連接，默認出廠IP：192.168.0.11，注意控制器需與PC處于同一網段。

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也可以使用串口連接控制器，串口默認參數波特率38400，數據位8，無校驗，掉電后恢復默認參數。

三、配置脈沖軸參數

連接控制器之后先使能驅動器，根據硬件手冊描述的軸接口內的使能信號OUT編號，發(fā)送OP（ionum,ON）打開使能，例如ZMC432發(fā)送OP（12,ON）使能AXIS 0上的驅動器。

在線命令發(fā)送或視圖“輸出口”操作OP，上電即使能的步進驅動無需此操作。

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以下軸參數可在“視圖”-“手動運動”或“軸參數”窗口快速配置，或新建工程寫入指令語句下載到控制器。

1.BASE

BASE選擇脈沖軸接入的軸號，接在DB頭上軸編號即為面板上標識的AXIS編號。

2.ATYPE

ATYPE設置軸的類型，不帶反饋的脈沖軸ATYPE=1/7，帶編碼器反饋的ATYPE=4/5，編碼器單獨接入設置ATYPE=3/6。
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3.UNITS

UNITS設置脈沖當量，根據驅動器的一圈脈沖數配置，作為控制器的基本單位，可設為電機轉動1°需要的脈沖數，驅動器若10000個脈沖轉一圈，可設置為UNITS=10000/360。

換算關系：若UNITS=10000，直線命令MOVE(5)表示下發(fā)50000個脈沖；運行速度SPEED=10，表示每秒下發(fā)100000個脈沖。

4.速度

SPEED運行速度、ACCEL加速度、DECEL減速度等基礎速度參數的設置；SRAMP指令設置S曲線，延長加速的時間，速度變化更為平緩，減少抖動，VP_MODE指令設置SS曲線，加速度平穩(wěn)過渡，使軌跡更柔順，沖擊更小。

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5. 確認脈沖模式

控制器出廠默認的脈沖模式是脈沖+方向，脈沖模式需要匹配才能運行，需確認驅動器的脈沖模式。

控制器支持三種脈沖模式，脈沖+方向，雙脈沖和正交脈沖（4系列及以上支持）三種，正/負邏輯均可配置。

脈沖模式修改使用INVERT_STEP指令，初始值INVERT_STEP=0，脈沖+方向模式。

語法INVERT_STEP = mode

mode：模式選擇，缺省0，低8位（位0-位7）表示的模式值如下：
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各個模式對應的電平如下：若極性對調，參考運動方向與原來相反。
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高8位（位8-位15）表示方向變化保護時間，單位微秒：0-255

設置方法：INVERT_STEP(軸號) = 256*100+6，雙脈沖模式6，保護時間100微秒。

6.運動

采用視圖菜單的手動運動窗口或在線命令發(fā)送MOVE直線運動指令調試，通過DPOS目標位置（或MPOS反饋位置）等獲取軸的運動情況，也可采用ZDevelop軟件的視圖窗口“示波器”實時采樣運動波形。

電機運動方向與電機極性設置和INVERT_STEP正/負邏輯設置有關。

7.參數查看

軸參數配置完成可再“軸參數”窗口查看，實時自動刷新和顯示軸參數，支持雙擊直接修改配置參數。

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軸選擇：用于選擇要顯示的軸號信息。

參數選擇：用于自定義顯示關注的軸參數。

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8.異常報警

發(fā)生異常報警ZDevelop軟件的“命令與輸出”窗口打印錯誤信息提示，或產生AXISSTATUS報警提示。

AXISSTATUS為軸狀態(tài)參數，用于判斷軸當前是否發(fā)生異常，按位提示異常信息，可多種異常信息疊加，查詢下表確認，例如AXISSTATUS顯示20h，表示當前碰到負向硬限位，會導致軸立即停止。

AXISSTATUS顯示1000h，表示下發(fā)脈沖頻率太快，一般只有在高分辨率的設備會產生此類問題，出現(xiàn)此報警將MAX_SPEED改大即可解決。
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試運行前要確保硬限位開關配置成功，作為機臺的安全保護，防止過沖。

機臺確認可以動作之后，通過DATUM指令配置回零模式，DATUM_IN指令配置原點傳感器映射到輸入口，回零說明參見歷史文章。

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硬限位開關是限制軸的最大“允許行進范圍”的限位開關。硬限位開關是安裝在軸運動行程上的物理開關元件，一般是一個傳感器，硬限位開關由指令映射到相應輸入開關信號上，根據開關信號是常開還是常閉確定是否要對信號進行翻轉，設置完成后，碰到硬限位開關，對應軸立即停止運動，停止減速度為FASTDEC。

軟限位開關將限制軸的“工作范圍”，由指令直接設置限位位置，軸走到設置的DPOS坐標位置后，立即采用減速度FASTDEC停止運動，根據實際需求配置軟限位。

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9.配置語法

FWD_IN = 正向硬限位接入的輸入口編號，-1取消映射；

REV_IN = 負向硬限位接入的輸入口編號，-1取消映射；

FS_LIMIT = 正向運動行程限制，取消設置較大值；

RS_LIMIT = 負向運動行程限制，取消設置較大值。

例如，ZDevelop軟件下方狀態(tài)欄提示axis0 alarm提示紅色的報警錯誤，檢查軸參數中軸0的AXISSTATUS參數，提示30h，對照AXISSTATUS指令說明，得知發(fā)生的是正負限位報警，查看限位配置，即FWD_IN(0)=0，REV_IN(0)=1對應的IN0，IN1的配置，以及其相關的輸入是否INVERT_IN反轉了電平狀態(tài)。

四、手動運動快速調試

關閉所有除ZDevelop的軟件，同時使用ZDevelop連接控制器，下載空程序，按前面說明手動設置選擇要調試的軸號、設置軸類型ATYPE、脈沖當量UNITS、加速度ACCEL、減速度DECEL、速度SPEED，然后打開“視圖”-“手動運動”，手動操作電機試運行。

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操作方法：按住“左”/“右”不放，電機持續(xù)運動，松開停止。“指令位置”顯示當前發(fā)出的脈沖DPOS（單位為UNITS）。填寫“距離”參數，點擊“運動”，勾選“絕對”時，電機運動到距離參數位置；不勾選“絕對”時，電機按距離參數繼續(xù)運動。

按照以上步驟設置之后，如果電機無法運動，參考下節(jié)說明排查。

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一、脈沖軸排查步驟

二、報錯提示

驅動器有無報警提示，若產生報警，根據報警錯誤碼核對驅動器手冊說明解決后重新運行。

控制器端是否產生報警信息，根據ZDevelop報警打印的錯誤信息、錯誤碼或AXISSTATUS軸狀態(tài)提示，解除錯誤后重新運行。

三、參數設置不當

檢查下列參數是否設置合理：

1.電機是否使能成功，電機軸無法用手撥動即為成功使能；

2.下發(fā)運動的軸號一定要選擇正確，否則運動命令無法下發(fā)給該驅動器；

3.軸的類型根據ATYPE指令的表格填寫正確類型，類型錯誤控制器會報錯，導致無法運動；

4.UNITS的值設置合理，脈沖下發(fā)速度太小導致電機動作微弱，肉眼無法分辨是否運動；

5.下發(fā)運動指令后，軸參數窗口該軸的DPOS是否改變，未變表示脈沖并未發(fā)出，排查AXISSTATUS軸狀態(tài)有無提示，當前軸接口是否損壞。

四、動作不正確

1.電機只能單向運動，可能原因有：

（1）電機處于限位狀態(tài)，查看AXISSTATUS確認；

（2）電機控制模式不對，INVERT_STEP設置為相應的脈沖模式（雙脈沖或脈沖+方向）；

（3）電機接線問題，確認接線。

2.DPOS和MPOS極性相反，或電機轉向與預期相反，解決辦法：

修改電機的極性，通過INVERT_STEP指令或驅動器軟件修改。

接線錯誤時注意事項：

⊙ 檢查脈沖接線和供電線路是否正確。

⊙ 檢查各模塊是否正確上電。

⊙ 檢查單端接線時確認IO是否上電成功。

本次，正運動技術EtherCAT運動控制器中脈沖接口的快速調試與診斷，就分享到這里。

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王靜

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