關于運動控制及系統(tǒng) 　　 應該說運動控制系統(tǒng)己經(jīng)問世多年了，大家對此并不陌生，并在各個領域得到應用。 　　 而運動控制（包括軌跡控制、伺服控制）與順序控制、過程控制、傳動控制并列為典型的控制模式，是一直以來扮演重要支柱技術角色的自動控制系統(tǒng)，在許多高科技領域得到了非常廣泛的應用，如激光加工、機器人、數(shù)控機床、大規(guī)模集成電路制造設備、雷達和各種軍用武器隨動系統(tǒng)，以及柔性制造系統(tǒng)（FMS-Flexible Maunfacturing systm）等等。運動控制系統(tǒng)主要由五部分構成：被移動的機械設備、帶反饋和運動I/O的馬達（伺服或步進）、馬達驅(qū)動單元、運動控制模塊、以及編程/操作接口軟件，見圖1所示，其運動控制芯片或模塊是作為伺服與步進控制用。 [ALIGN=CENTER] 圖1：為運動控制系統(tǒng)組成示意框圖[/ALIGN] 從圖1可見Power Drives（傳動裝置）將運動控制模塊與特定應用馬達、編碼器、限制器、用戶（運動）I/O連接在一起，用一根控制電纜連接運動控制模塊與Power Drives，為全部的命令集與反饋信號提供一個通道。當PowerDrive的性能不能滿足應用需要時，用戶還可選擇通用運動接口（UMI）螺絲接線端子附件，與第三方馬達和驅(qū)動器/放大器連接。 　　 因為一般盛行的解決方案均為封閉式結構系統(tǒng), 所以基于計算機的運動解決方案所擁有的附加靈活性及低成本潛力使其受到普遍歡迎。 　　 隨著功率電子技術、微電子技術、計算機技術及控制原理的進步，以交流伺服電動機為執(zhí)行電動機的交流伺服驅(qū)動具有了可與直流伺服驅(qū)動相比擬的特性，從而使得交流伺服電動機固有的優(yōu)勢得到了充分的發(fā)揮，交流伺服驅(qū)動已成為現(xiàn)代伺服驅(qū)動發(fā)展的方向。 　　 而當今的應用最迫切需要可以在苛刻條件下一天24小時連續(xù)工作的、可靠耐用的工業(yè)機器人和自動機械裝置。這樣的系統(tǒng)要求遠比以前具有精確的電機和反饋控制，今天的大多數(shù)性能改進要歸功于新技術和微電子技術的發(fā)展。這些創(chuàng)新消除了機器人和自動機械裝置共用工作空間時產(chǎn)生的碰撞，改進了任務分配并且提高了伺服系統(tǒng)的精確性，從而使自動機械系統(tǒng)更加可靠地工作。由于運動控制芯片或模塊能為一般伺服與步進應用提供精確、高性能的運動功能，故可以簡單易用的運動控制模塊、軟件、以及外設為運動和測量集成需求提供最佳集成解決方案。本文著重討論運動控制模塊在直流無刷電機伺服系統(tǒng)中的應用，并對其主要運動控制模塊的接收電路與正交編碼器信號電纜技術作分析說明。 運動控制模塊的應用—直流無刷電機伺服系統(tǒng) 　　 運動控制模塊要在直流無刷電機伺服系統(tǒng)中得到應用，它必須組成閉環(huán)的運動控制系統(tǒng)，這是現(xiàn)代的自動化系統(tǒng)為了完成運動控制所持有的特征。 　　 該直流無刷電機伺服系統(tǒng)由運動控制模塊（卡）與伺服電機、驅(qū)動器和反饋元件（反饋用正交編碼器）組合及編程/操作接口軟件等組成，它能對于速度和位置提供精確與穩(wěn)定的控制。圖2所示為運動控制模塊組成的直流無刷電機伺服系統(tǒng)方塊圖。 [ALIGN=CENTER] 圖2：運動控制模塊的應用－直流無刷伺服系統(tǒng)框圖[/ALIGN] 從圖2看出，該運動控制系統(tǒng)是含有一個直流無刷電機的伺服系統(tǒng)，而其運動控制模塊正交編碼器的接口電路，就是運動控制模塊的編碼輸入電路，即接收器電路，它接收通過反饋編碼器電纜傳送來的正交編碼器的輸出信號。 　　 對高性能、高速的應用系統(tǒng)而言，直流無刷電機是可用的，故此處所述系統(tǒng)均是直流無刷電機伺服系統(tǒng)。這種電機的軸端裝有測定軸速和換向點的正交編碼器，用于控制電機的線圈切換順序。而第二個正交編碼器安裝在機械裝置的旋轉(zhuǎn)軸上，它輸出旋轉(zhuǎn)軸的位置數(shù)據(jù)信號，使由于傳動裝置和導螺桿中的齒隙（兩個或多于齒輪間的間隙）所導致的誤差而引起旋轉(zhuǎn)軸的位置和電機軸的位置不一致問題得到解決。 　　 典型的運動控制模塊包含一個微處理器和一個用于處理高速編碼信號的DSP或定制ASIC（專用集成電路）。運動控制模塊為驅(qū)動器或放大器提供一個控制轉(zhuǎn)動速度和方向的信號，驅(qū)動器把它轉(zhuǎn)換為適當?shù)碾妷汉碗娏鳎üβ剩┤ヲ?qū)動電機運轉(zhuǎn)。這樣的運動控制模塊在直流無刷電機伺服系統(tǒng)中的應用就能使系統(tǒng)成為堅固的、具有容錯能力的運動控制反饋系統(tǒng)。那么如何應用？也就說是如何設計呢？. 　　■ 運動控制模塊與正交編碼器輸出之間的接口電路，即運動控制模塊的輸入電路-接收器電路，它是系統(tǒng)的關鍵； 　　■ 接收器印刷電路板的設計； 　　■ 正交編碼器信號電纜系統(tǒng)的應用。 運動控制模塊的接收電路 　　 1、運動控制模塊的編碼輸入電路-接收器電路，實際上就是運動控制模塊與正交編碼器輸出之間的接口電路。本系統(tǒng)采用MAX3095型芯片接收器電路與正交編碼器電纜-端子電阻匹配電路組合作為其接口電路。 　　 IC1 MAX3095型芯片是一個10Mbps、5V、四通道RS-422/RS-485接收器，具有±5kV ESD保護。正交編碼器輸出6路RS-422/RS-485信號（A、A—、B、B—、INDEX和INDEX —），通過電纜傳送至運動控制模塊的接收電路MAX3095型。接收電路把RS-422信號轉(zhuǎn)換為邏輯電平信號（由于系統(tǒng)只有一個發(fā)送器，現(xiàn)設定它是RS-422信號），并把信號送至運動控制模塊或DSP或ASIC進行處理。接收電路必須對來自伺服系統(tǒng)的各種故障包括開路、短路、噪聲等做出反應,即對來正交編碼器輸出中的開路、短路、噪聲編碼信號做出反應。 [ALIGN=CENTER] 圖3：運動控制模塊與正交編碼器輸出之間的接口電路，即典型的運動控制模塊的編碼信號輸入接收器電路。它應是運動控制模塊的一部分，這個接收電路在每條碼器輸入線上都具有檢測和ESD保護（內(nèi)置于MAX3095）[/ALIGN] 為什么IC1要用MAX3095型具有±5kV ESD保護的MAX3095芯片。因為對于一個容錯系統(tǒng)來講，由于編碼信號輸入電路要和外部元件相連接，ESD保護是必須的。這樣省去外部ESD防護部件，可以大大減少印刷電路板的面積。從正交編碼器發(fā)出的信號通過雙絞線傳送到接收電路，每對互補信號線A、A—、或B、B—之間跨與接一個150Ω電阻提供適當?shù)亩私?。當發(fā)生電纜斷裂或脫離等開路故障時，要使運動控制模塊采取適當?shù)膭幼?，首先必須檢測到這些故障。作為一種失效保護措施，當輸入信號線開路時，MAX3095接收器會輸出邏輯高。1kΩ偏置電阻使輸入端“A”的電壓至少比輸入端“B”高200mV。當有輸入端接電阻時，它們?nèi)孕璞３质ПＷo輸出。這個電路具有ESD防護、開路檢測和輸出短路保護，但不能檢測輸人短路。 [ALIGN=CENTER] 圖4：該電路是對圖3的改進提供開路、短路和中間狀態(tài)故障所有編碼器輸入線上的ESD保護以及延遲的告警/故障輸出[/ALIGN] 2、另一種改進的電路（圖4）包含了2片IC（MAX3098），每片都包含三路RS-422/RS-485接收器。 　　 各接收器均具有內(nèi)置的故障檢測、±15kV ESD（靜電釋放）保護和32Mbps的數(shù)據(jù)速率。而MAX3098E能檢測接收器輸入開路和短路故障，也能檢測低電壓差分信號和共模范圍超限等其它故障。它的邏輯電平輸出能夠指示哪一路接收器輸入發(fā)生了故障。這種直接的故障報告降低了軟件開銷，并將外部邏輯元件減到最少。 　　 任何一路正交編碼器輸出即控制模塊的編碼輸入發(fā)生故障都會立即在相應輸出發(fā)出邏輯高信號：ALARM（報警）A、ALARM（報警）B和ALARM（報警）Z。伺服系統(tǒng)移動緩慢時，會在正交編碼器信號的過零區(qū)域產(chǎn)生瞬時故障，觸發(fā)“假故障”。通過選擇電容C-延遲的值，可將ALARM（報警）D輸出（ALARM（報警）A、ALARM（報警）B和ALARM（報警）Z的邏輯或）延遲適當?shù)臅r間。120Ω電阻為RS422電纜提供適當?shù)亩私?。由于IC采用16引腳QSOP（四分之一外形封裝）型，僅需很少的外圍元件，因而在印刷電路板上占用的空間也很小。 接收電路印制板布局 [ALIGN=CENTER] 圖5：運動控制模塊的編碼信號輸入接收電路中，具有故障檢測功能的MAX3098ERS-422/RS485三接收器的印刷電路電路的正確走線和元件位置[/ALIGN] 正確的接收電路布局要從RS-422編碼器輸入連接器開始。差分信號對A/A—、B/B—和INDEX/INDEX—必須占據(jù)連接器的相鄰引腳。這種方式可使各差分對的信號電流通路相疊相消。為保證印刷電路板上每一條走線有相同的寄生電容，每對信號線要盡量靠近、長度相同并且盡量對稱。為減小數(shù)字信號的感性和容性串擾，并降低電感，來自于連接器和接收電路的差分RS-422信號應該布置在大面積地層上，接地層通常位于印制板中間。這個接地層上不應有大電流信號流動。運動控制器電路中的高速電流切換會產(chǎn)生共模噪聲。使用濾波器和旁路電容有助于減小耦合到供電線路中的共模電壓。可以緊靠接收器的Vcc輸入端放置一個0.1uf的旁路電容。為減小旁路回路的電感，電容器的接地引腳應直接接到地線層,芯片的接地引腳也是一樣，應通過一個靠近的穿孔打到地。最后，為減小耦合到接收器電路中的噪聲，應避免接收器的信號線靠近功率電路。 正交編碼器信號電纜的應用 由于正交編碼器的差分信號是平衡的，因而可以在常規(guī)電纜上傳送。不過，雙絞線更好一點。雙絞線具有很低的感應耦合，在高達數(shù)兆赫茲的頻率范圍具有恒定的阻抗，特別適合于運動控制系統(tǒng)的高速特性。雙絞線也有助于減小輻射和接收電磁干擾（EMl）。 　　 雙絞線有屏蔽和非屏蔽兩種。非屏蔽線尺寸小、造價低、重量輕，彎曲半徑小等特點。然而，差分正交編碼器信號必須使用屏蔽線。由于屏蔽層可提供額外的EMI防護，屏蔽雙絞線具有更好的共模抑制。實際的非屏蔽雙絞線中不太理想的絞合會產(chǎn)生顯著增加的EMI噪聲。在編碼信號輸入連接器中應把屏蔽層接至接收器的地線上。 　　 正交編碼器的信號電纜不應攜帶功率信號或其它任何信號。也不能和其他載有功率信號或噪聲信號，包括60Hz電源的電纜或管道靠近或平行布線。 　　 現(xiàn)代的高速伺服控制系統(tǒng)中的編碼器在工作時可提供高達數(shù)兆赫茲的數(shù)據(jù)速率。在這么高的速率下，正交編碼器信號電纜必須在接收器端采用端接電阻或網(wǎng)絡正確地端接。理想情況下，端接電阻值和電纜的特性阻抗相同。 　　 由于RS-422網(wǎng)絡（一個發(fā)送器和一個接收器）上只有一個發(fā)送器，因此在發(fā)送器端就不需要端接電阻了。末端接收器輸入端上的振蕩和反射會將數(shù)據(jù)吞吐量限制在數(shù)百kbps。通常匹配在電纜特性阻抗的±20％就足夠了。正確的編碼器電纜端接如圖3、圖4所示。 關于反饋編碼器類型的說明 由于為實現(xiàn)精確定位，伺服系統(tǒng)必須有一個反饋信號使反饋形成閉環(huán)。而能提供這種反饋信號的裝置包括光電編碼器、旋轉(zhuǎn)變壓器和正交磁致伸縮線性位移傳感器。值此有必要對其作一介紹。 1、光電編碼器輸出一個數(shù)字方波信號，包括正交（增量）型、絕對值型和偽隨機型。一個典型的光電編碼器包括光發(fā)射器、光接收器、輸出原始模擬信號的編碼輪。這個模擬信號被送至編碼器的處理電路，轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號輸出。信號輸出方式有集電極開路輸出和單端輸出，邏輯電平為5V至24V。為了降低噪聲干擾，最可靠的輸出是互補、差分的RS-422。正交光電編碼器輸出的反饋信號有A、B、Z三種形式的脈沖。信號A和B來自編碼器碼輪并具有90°的相差，所以稱之為正交（也就是相隔1/4個周期）。當A超前于B時，表明編碼器是順時針旋轉(zhuǎn)的，反之，編碼器為逆時針旋轉(zhuǎn)。因而由這兩個信號就可得到位置、方向和速度數(shù)據(jù)。信號Z表示電機轉(zhuǎn)子的位置和編碼器的軸是否轉(zhuǎn)過360°。它還能校驗信號A和B的誤算。采用 RS-422接口時, 編碼器提供互補的A、B和Z輸出。 　　 2、絕對光電編碼器采用的信號處理部件與正交光電編碼器相似，只是它在每旋轉(zhuǎn)一周時輸出一個并行二進制字．一般是十二至十三位的BCD、格雷或自然二進制碼，13位輸出只用于低頻響應（1200轉(zhuǎn)/分輸出12位；600轉(zhuǎn)/分輸出13位），但每轉(zhuǎn)360°具有更精細的分辨率．這種類型的編碼器很適于監(jiān)測上電和掉電期間的軸的位置，因為和正交編碼器不同的是，在編碼器沒有移動時，軸的位置也可通過編碼輸出讀得。 　　 3、新型的偽隨機光電編碼器輸出3個信號：A和B給出了方向和空間同步信號，另一個信號給出位置數(shù)據(jù)這種編碼器需要有1°到2°旋轉(zhuǎn)才能確定位置。 　　 4、正交型磁致伸縮線性位移傳感器（LDT）是用來測量直線移動的反饋編碼器/傳感器，不適用于轉(zhuǎn)動位置測量．它的工作原理是：LDT的線性位移桿帶動磁鐵的移動，磁鐵作用于磁致伸縮導線，產(chǎn)生一個電流脈沖信號，再由一個拾取傳感據(jù)檢測這個脈沖信號-模擬位置信號．最后由LDT對它進行處理，轉(zhuǎn)換為和正交編碼器相似的數(shù)字輸出信號A，B和Z。 結論 　　 由上述運動控制模塊和接收器電路及其正交編碼器的信號電纜系統(tǒng)的應用與分析，說明該直流無刷電機伺服系統(tǒng)是一個堅固的具有容錯能力的運動反饋控制系統(tǒng)屬一個現(xiàn)代高速伺服系統(tǒng)。該系統(tǒng)的接收電路必須對產(chǎn)生的各種故障做出預知的反應，為了預防編碼器數(shù)據(jù)的噪聲問題，還要合理地設計接收器電路的印刷電路板。同對應用時也要考慮正交編碼器的信號電纜系統(tǒng)，包括接收器電路的端接。有了這些預防措施，就可以用設計出性能穩(wěn)定、故障期間具有預知狀態(tài)的運動控制反饋系統(tǒng)。