运动控制模块在直流无刷电机伺服系统中的应用

关于运动控制及系统
　　应该说运动控制系统己经问世多年了，大家对此并不陌生，并在各个领域得到应用。
　　而运动控制（包括轨迹控制、伺服控制）与顺序控制、过程控制、传动控制并列为典型的控制模式，是一直以来扮演重要支柱技术角色的自动控制系统，在许多高科技领域得到了非常广泛的应用，如激光加工、机器人、数控机床、大规模集成电路制造设备、雷达和各种军用武器随动系统，以及柔性制造系统（FMS-Flexible Maunfacturing systm）等等。运动控制系统主要由五部分构成：被移动的机械设备、带反馈和运动I/O的马达（伺服或步进）、马达驱动单元、运动控制模块、以及编程/操作接口软件，见图1所示，其运动控制芯片或模块是作为伺服与步进控制用。

图1：为运动控制系统组成示意框图

　　从图1可见Power Drives（传动装置）将运动控制模块与特定应用马达、编码器、限制器、用户（运动）I/O连接在一起，用一根控制电缆连接运动控制模块与Power Drives，为全部的命令集与反馈信号提供一个通道。当PowerDrive的性能不能满足应用需要时，用户还可选择通用运动接口（UMI）螺丝接线端子附件，与第三方马达和驱动器/放大器连接。
　　因为一般盛行的解决方案均为封闭式结构系统, 所以基于计算机的运动解决方案所拥有的附加灵活性及低成本潜力使其受到普遍欢迎。
　　随着功率电子技术、微电子技术、计算机技术及控制原理的进步，以交流伺服电动机为执行电动机的交流伺服驱动具有了可与直流伺服驱动相比拟的特性，从而使得交流伺服电动机固有的优势得到了充分的发挥，交流伺服驱动已成为现代伺服驱动发展的方向。
　　而当今的应用最迫切需要可以在苛刻条件下一天24小时连续工作的、可靠耐用的工业机器人和自动机械装置。这样的系统要求远比以前具有精确的电机和反馈控制，今天的大多数性能改进要归功于新技术和微电子技术的发展。这些创新消除了机器人和自动机械装置共用工作空间时产生的碰撞，改进了任务分配并且提高了伺服系统的精确性，从而使自动机械系统更加可靠地工作。由于运动控制芯片或模块能为一般伺服与步进应用提供精确、高性能的运动功能，故可以简单易用的运动控制模块、软件、以及外设为运动和测量集成需求提供最佳集成解决方案。本文着重讨论运动控制模块在直流无刷电机伺服系统中的应用，并对其主要运动控制模块的接收电路与正交编码器信号电缆技术作分析说明。

　　运动控制模块的应用—直流无刷电机伺服系统
　　运动控制模块要在直流无刷电机伺服系统中得到应用，它必须组成闭环的运动控制系统，这是现代的自动化系统为了完成运动控制所持有的特征。
　　该直流无刷电机伺服系统由运动控制模块（卡）与伺服电机、驱动器和反馈元件（反馈用正交编码器）组合及编程/操作接口软件等组成，它能对于速度和位置提供精确与稳定的控制。图2所示为运动控制模块组成的直流无刷电机伺服系统方块图。

图2：运动控制模块的应用－直流无刷伺服系统框图

　　从图2看出，该运动控制系统是含有一个直流无刷电机的伺服系统，而其运动控制模块正交编码器的接口电路，就是运动控制模块的编码输入电路，即接收器电路，它接收通过反馈编码器电缆传送来的正交编码器的输出信号。
　　对高性能、高速的应用系统而言，直流无刷电机是可用的，故此处所述系统均是直流无刷电机伺服系统。这种电机的轴端装有测定轴速和换向点的正交编码器，用于控制电机的线圈切换顺序。而第二个正交编码器安装在机械装置的旋转轴上，它输出旋转轴的位置数据信号，使由于传动装置和导螺杆中的齿隙（两个或多于齿轮间的间隙）所导致的误差而引起旋转轴的位置和电机轴的位置不一致问题得到解决。
　　典型的运动控制模块包含一个微处理器和一个用于处理高速编码信号的DSP或定制ASIC（专用集成电路）。运动控制模块为驱动器或放大器提供一个控制转动速度和方向的信号，驱动器把它转换为适当的电压和电流（功率）去驱动电机运转。这样的运动控制模块在直流无刷电机伺服系统中的应用就能使系统成为坚固的、具有容错能力的运动控制反馈系统。那么如何应用？也就说是如何设计呢？.
　　■ 运动控制模块与正交编码器输出之间的接口电路，即运动控制模块的输入电路-接收器电路，它是系统的关键；
　　■ 接收器印刷电路板的设计；
　　■ 正交编码器信号电缆系统的应用。

　　运动控制模块的接收电路
　　1、运动控制模块的编码输入电路-接收器电路，实际上就是运动控制模块与正交编码器输出之间的接口电路。本系统采用MAX3095型芯片接收器电路与正交编码器电缆-端子电阻匹配电路组合作为其接口电路。
　　IC1 MAX3095型芯片是一个10Mbps、5V、四通道RS-422/RS-485接收器，具有±5kV ESD保护。正交编码器输出6路RS-422/RS-485信号（A、A^—、B、B^—、INDEX和INDEX ^—），通过电缆传送至运动控制模块的接收电路MAX3095型。接收电路把RS-422信号转换为逻辑电平信号（由于系统只有一个发送器，现设定它是RS-422信号），并把信号送至运动控制模块或DSP或ASIC进行处理。接收电路必须对来自伺服系统的各种故障包括开路、短路、噪声等做出反应,即对来正交编码器输出中的开路、短路、噪声编码信号做出反应。

^{图3：运动控制模块与正交编码器输出之间的接口电路，即典型的运动控制模块的编码信号
输入接收器电路。它应是运动控制模块的一部分，这个接收电路在每条码器输入线上都具
有检测和ESD保护（内置于MAX3095)}

^{为什么IC1要用MAX3095型具有±5kV ESD保护的MAX3095芯片。因为对于一个容错系统来讲，由于编码信号输入电路要和外部元件相连接，ESD保护是必须的。这样省去外部ESD防护部件，可以大大减少印刷电路板的面积。从正交编码器发出的信号通过双绞线传送到接收电路，每对互补信号线A、A—、或B、B—之间跨与接一个150Ω电阻提供适当的端接。当发生电缆断裂或脱离等开路故障时，要使运动控制模块采取适当的动作，首先必须检测到这些故障。作为一种失效保护措施，当输入信号线开路时，MAX3095接收器会输出逻辑高。1kΩ偏置电阻使输入端“A”的电压至少比输入端“B”高200mV。当有输入端接电阻时，它们仍需保持失效保护输出。这个电路具有ESD防护、开路检测和输出短路保护，但不能检测输人短路。}

^{图4：该电路是对图3的改进提供开路、短路和中间状态故障所有编码器
输入线上的ESD保护以及延迟的告警/故障输出}

<sup>　　2、另一种改进的电路（图4）包含了2片IC（MAX3098），每片都包含三路RS-422/RS-485接收器。
　　各接收器均具有内置的故障检测、±15kV ESD（静电释放）保护和32Mbps的数据速率。而MAX3098E能检测接收器输入开路和短路故障，也能检测低电压差分信号和共模范围超限等其它故障。它的逻辑电平输出能够指示哪一路接收器输入发生了故障。这种直接的故障报告降低了软件开销，并将外部逻辑元件减到最少。
　　任何一路正交编码器输出即控制模块的编码输入发生故障都会立即在相应输出发出逻辑高信号：ALARM（报警）A、ALARM（报警）B和ALARM（报警）Z。伺服系统移动缓慢时，会在正交编码器信号的过零区域产生瞬时故障，触发“假故障”。通过选择电容C-延迟的值，可将ALARM（报警）D输出（ALARM（报警）A、ALARM（报警）B和ALARM（报警）Z的逻辑或）延迟适当的时间。120Ω电阻为RS422电缆提供适当的端接。由于IC采用16引脚QSOP（四分之一外形封装）型，仅需很少的外围元件，因而在印刷电路板上占用的空间也很小。

　　接收电路印制板布局
　　图5为典型接收电路印制板布局图。</sup>

^{图5：运动控制模块的编码信号输入接收电路中，具有故障检测功能的
MAX3098ERS-422/RS485三接收器的印刷电路电路的正确走线和元件位置}

<sup>　　正确的接收电路布局要从RS-422编码器输入连接器开始。差分信号对A/A—、B/B—和INDEX/INDEX—必须占据连接器的相邻引脚。这种方式可使各差分对的信号电流通路相叠相消。为保证印刷电路板上每一条走线有相同的寄生电容，每对信号线要尽量靠近、长度相同并且尽量对称。为减小数字信号的感性和容性串扰，并降低电感，来自于连接器和接收电路的差分RS-422信号应该布置在大面积地层上，接地层通常位于印制板中间。这个接地层上不应有大电流信号流动。运动控制器电路中的高速电流切换会产生共模噪声。使用滤波器和旁路电容有助于减小耦合到供电线路中的共模电压。可以紧靠接收器的Vcc输入端放置一个0.1uf的旁路电容。为减小旁路回路的电感，电容器的接地引脚应直接接到地线层,芯片的接地引脚也是一样，应通过一个靠近的穿孔打到地。最后，为减小耦合到接收器电路中的噪声，应避免接收器的信号线靠近功率电路。

　　正交编码器信号电缆的应用
       由于正交编码器的差分信号是平衡的，因而可以在常规电缆上传送。不过，双绞线更好一点。双绞线具有很低的感应耦合，在高达数兆赫兹的频率范围具有恒定的阻抗，特别适合于运动控制系统的高速特性。双绞线也有助于减小辐射和接收电磁干扰（EMl）。
　　双绞线有屏蔽和非屏蔽两种。非屏蔽线尺寸小、造价低、重量轻，弯曲半径小等特点。然而，差分正交编码器信号必须使用屏蔽线。由于屏蔽层可提供额外的EMI防护，屏蔽双绞</sup>线具有更好的共模抑制。实际的非屏蔽双绞线中不太理想的绞合会产生显著增加的EMI噪声。在编码信号输入连接器中应把屏蔽层接至接收器的地线上。
　　正交编码器的信号电缆不应携带功率信号或其它任何信号。也不能和其他载有功率信号或噪声信号，包括60Hz电源的电缆或管道靠近或平行布线。
　　现代的高速伺服控制系统中的编码器在工作时可提供高达数兆赫兹的数据速率。在这么高的速率下，正交编码器信号电缆必须在接收器端采用端接电阻或网络正确地端接。理想情况下，端接电阻值和电缆的特性阻抗相同。
　　由于RS-422网络（一个发送器和一个接收器）上只有一个发送器，因此在发送器端就不需要端接电阻了。末端接收器输入端上的振荡和反射会将数据吞吐量限制在数百kbps。通常匹配在电缆特性阻抗的±20％就足够了。正确的编码器电缆端接如图3、图4所示。

　　关于反馈编码器类型的说明

<sup>　　由于为实现精确定位，伺服系统必须有一个反馈信号使反馈形成闭环。而能提供这种反馈信号的装置包括光电编码器、旋转变压器和正交磁致伸缩线性位移传感器。值此有必要对其作一介绍。
　　1、光电编码器输出一个数字方波信号，包括正交（增量）型、绝对值型和伪随机型。一个典型的光电编码器包括光发射器、光接收器、输出原始模拟信号的编码轮。这个模拟信号被送至编码器的处理电路，转换为数字信号输出。信号输出方式有集电极开路输出和单端输出，逻辑电平为5V至24V。为了降低噪声干扰，最可靠的输出是互补、差分的RS-422。正交光电编码器输出的反馈信号有A、B、Z三种形式的脉冲。信号A和B来自编码器码轮并具有90°的相差，所以称之为正交（也就是相隔1/4个周期）。当A超前于B时，表明编码器是顺时针旋转的，反之，编码器为逆时针旋转。因而由这两个信号就可得到位置、方向和速度数据。信号Z表示电机转子的位置和编码器的轴是否转过360°。它还能校验信号A和B的误算。采用 RS-422接口时, 编码器提供互补的A、B和Z输出。
　　2、绝对光电编码器采用的信号处理部件与正交光电编码器相似，只是它在每旋转一周时输出一个并行二进制字．一般是十二至十三位的BCD、格雷或自然二进制码，13位输出只用于低频响应（1200转/分输出12位；600转/分输出13位），但每转360°具有更精细的分辨率．这种类型的编码器很适于监测上电和掉电期间的轴的位置，因为和正交编码器不同的是，在编码器没有移动时，轴的位置也可通过编码输出读得。
　　3、新型的伪随机光电编码器输出3个信号：A和B给出了方向和空间同步信号，另一个信号给出位置数据这种编码器需要有1°到2°旋转才能确定位置。
　　4、正交型磁致伸缩线性位移传感器（LDT）是用来测量直线移动的反馈编码器/传感器，不适用于转动位置测量．它的工作原理是：LDT的线性位移杆带动磁铁的移动，磁铁作用于磁致伸缩导线，产生一个电流脉冲信号，再由一个拾取传感据检测这个脉冲信号-模拟位置信号．最后由LDT对它进行处理，转换为和正交编码器相似的数字输出信号A，B和Z。

　　结论
　　由上述运动控制模块和接收器电路及其正交编码器的信号电缆系统的应用与分析，说明该直流无刷电机伺服系统是一个坚固的具有容错能力的运动反馈控制系统属一个现代高速伺服系统。该系统的接收电路必须对产生的各种故障做出预知的反应，为了预防编码器数据的噪声问题，还要合理地设计接收器电路的印刷电路板。同对应用时也要考虑正交编码器的信号电缆系统，包括接收器电路的端接。有了这些预防措施，就可以用设计出性能稳定、故障期间具有预知状态的运动控制反馈系统。</sup>

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