描述

系統(tǒng)中穩(wěn)健運(yùn)行的關(guān)鍵在于它處理機(jī)械和電氣故障的方式。本文討論魯棒且容錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，其反饋路徑包含正交編碼器。

伺服系統(tǒng)

現(xiàn)代自動(dòng)化系統(tǒng)集成了用于運(yùn)動(dòng)控制的閉環(huán)反饋。它們通常包括一個(gè)伺服系統(tǒng)，該系統(tǒng)由電機(jī)驅(qū)動(dòng)器和反饋元件組成，其組合方式可以對(duì)速度和位置進(jìn)行準(zhǔn)確和穩(wěn)定的控制。典型伺服系統(tǒng)的各種系統(tǒng)級(jí)組件如圖1所示。

圖1.這種直流無(wú)刷伺服系統(tǒng)使用正交光學(xué)編碼器向運(yùn)動(dòng)控制器提供速度和位置反饋

直流無(wú)刷電機(jī)是高性能和高速應(yīng)用的首選。直流有刷和步進(jìn)電機(jī)適用于低速和要求較低的應(yīng)用。本文中假設(shè)無(wú)刷電機(jī)。此類電機(jī)通常在端軸上包括一個(gè)正交編碼器，用于確定軸速度和換向點(diǎn)，以控制電機(jī)的線圈開(kāi)關(guān)順序（參見(jiàn)側(cè)欄，反饋編碼器類型）。機(jī)器旋轉(zhuǎn)軸上的第二個(gè)正交編碼器提供該軸的位置數(shù)據(jù)，由于齒輪箱和絲杠組件的間隙導(dǎo)致不準(zhǔn)確，該位置通常與電機(jī)軸位置不同。

典型的運(yùn)動(dòng)控制器卡和模塊包括運(yùn)動(dòng)控制IC、微處理器以及用于處理高速編碼器信號(hào)的DSP或定制ASIC?？刂破飨?a target="_blank">驅(qū)動(dòng)器或放大器提供速度和旋轉(zhuǎn)方向信號(hào)，進(jìn)而提供適當(dāng)?shù)碾妷汉?a href="http://www.delux-kingway.cn/tags/電流/" target="_blank">電流（功率）水平來(lái)操作電機(jī)。要設(shè)計(jì)具有反饋的魯棒且容錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)，必須在設(shè)計(jì)期間在系統(tǒng)級(jí)別解決以下事項(xiàng)：

控制器編碼器輸入電路（接收器電路）

接收器電路 PC 板布局

編碼器信號(hào)布線系統(tǒng)

雖然本文未涉及，但在設(shè)計(jì)容錯(cuò)反饋系統(tǒng)時(shí)，還應(yīng)考慮運(yùn)動(dòng)控制器輸入，例如硬接線急停和限位輸入。

控制器接收器電路

電機(jī)的正交編碼器將六個(gè) RS-422/RS-485 信號(hào)（A、A、B、B、索引和索引）通過(guò)電纜發(fā)送到運(yùn)動(dòng)控制器的接收器電路（編碼器輸入）。接收器將RS-422信號(hào)轉(zhuǎn)換為邏輯電平信號(hào)（我們假設(shè)RS-422信號(hào)，因?yàn)橄到y(tǒng)只有一個(gè)發(fā)射器），并將它們饋送到運(yùn)動(dòng)控制器電路進(jìn)行處理。（有關(guān) RS-422 和 RS-485 的區(qū)別，請(qǐng)參閱 www.stg-maximintegrated.com 中的簡(jiǎn)短在線教程 RS-485 基礎(chǔ)知識(shí)。接收器電路必須響應(yīng)伺服系統(tǒng)環(huán)境中的各種故障，包括開(kāi)路、短路和噪聲。有關(guān)故障和 ESD 的信息，請(qǐng)參閱側(cè)欄故障類型。

圖2顯示了典型運(yùn)動(dòng)控制器中的編碼器-輸入接收器電路。U1 是一款 10Mbps、5V、四通道 RS-422/RS-485 接收器，具有 ±15kV ESD 保護(hù)。對(duì)于具有連接到外部組件的編碼器輸入的容錯(cuò)系統(tǒng)，ESD保護(hù)是必須的。由于沒(méi)有外部ESD保護(hù)元件，因此大大減少了該電路所需的PCB面積。

圖2.作為運(yùn)動(dòng)控制器的一部分，該編碼器輸入接收器電路在所有編碼器輸入線路上具有開(kāi)路檢測(cè)和ESD保護(hù)（MAX3095內(nèi)部）

150Ω電阻為從正交編碼器沿雙絞線電纜傳輸?shù)拿拷M互補(bǔ)信號(hào)對(duì)提供適當(dāng)?shù)亩私?。（電纜端接和相關(guān)問(wèn)題將在后面詳細(xì)介紹。電纜斷裂或斷開(kāi)會(huì)產(chǎn)生開(kāi)路故障，必須先檢測(cè)到該故障，然后運(yùn)動(dòng)控制器才能采取適當(dāng)?shù)拇胧?。作為故障保護(hù)措施，MAX3095接收器輸出根據(jù)開(kāi)路輸入對(duì)置位邏輯高電平。1kΩ電阻使接收器的“A”輸入偏置至少比其“B”輸入高200mV。它們對(duì)于在存在輸入端接電阻的情況下保持故障安全輸出也是必要的。該電路提供ESD保護(hù)、開(kāi)路檢測(cè)和輸出短路保護(hù)，但不檢測(cè)短路輸入。改進(jìn)的電路（圖3）包括兩個(gè)IC，每個(gè)IC包括三個(gè)RS-422/RS-485接收器。每個(gè)接收器提供內(nèi)置故障檢測(cè)、±15kV ESD 保護(hù)和 32Mbps 數(shù)據(jù)速率。MAX3098E檢測(cè)編碼器開(kāi)路和短路輸入。它還可以檢測(cè)低壓差分信號(hào)、共模范圍違規(guī)和其他故障。其邏輯電平輸出指示哪個(gè)接收器輸入具有故障條件。通過(guò)直接報(bào)告故障，該功能可減少軟件開(kāi)銷，并最大限度地減少對(duì)外部邏輯組件的需求。

圖3.該電路通過(guò)檢測(cè)開(kāi)路、短路和中間故障、所有編碼器輸入線路上的ESD保護(hù)以及延遲報(bào)警/故障輸出來(lái)改進(jìn)圖2的電路。

任何編碼器輸入上的故障都會(huì)在相應(yīng)的輸出上產(chǎn)生即時(shí)邏輯高電平：ALARMA、ALARMB 或 ALARMZ。伺服系統(tǒng)的緩慢移動(dòng)會(huì)在正交編碼器信號(hào)的過(guò)零區(qū)域產(chǎn)生瞬態(tài)故障，從而觸發(fā)“假故障”。您可以通過(guò)選擇C_Delay值將報(bào)警輸出（報(bào)警 a、報(bào)警b 和報(bào)警 z 的邏輯或）延遲到所需的時(shí)間間隔。120Ω電阻為電纜提供正確的RS-422端接。由于該 IC 采用 16 引腳 QSOP 封裝，因此該電路需要的元件更少，并且在 PC 板上占用的空間非常緊湊。

接收器電路 PC 板布局

接收器電路的正確布局始于RS-422編碼器的輸入連接器。差分信號(hào)對(duì) A a、B B 和索引索引 必須占用連接器上的相鄰引腳。這種配置通過(guò)確保差分對(duì)的返回信號(hào)-電流路徑重疊和抵消來(lái)最大限度地減少信號(hào)不平衡。典型的元件放置如圖4所示。為確保每條印刷電路板走線具有相同的寄生電容，請(qǐng)將每對(duì)差分走線緊密地布線在一起，長(zhǎng)度相等，并具有對(duì)稱的彎曲。

圖4.MAX3098三路RS-422/RS-485接收器具有故障檢測(cè)功能，確保運(yùn)動(dòng)控制器編碼器輸入端的PCB布線和元件放置正確

為了最大限度地減少數(shù)字輸出上的電感和電容串?dāng)_并提供更低的電感，來(lái)自連接器和接收器電路的差分RS-422信號(hào)應(yīng)鋪設(shè)在印刷電路板內(nèi)的實(shí)心接地層上。此接地層中不應(yīng)有大電流信號(hào)流動(dòng)。

運(yùn)動(dòng)控制器電路中的高速電流切換會(huì)產(chǎn)生共模噪聲。使用濾波器和旁路電容器有助于降低耦合到電源線上的共模電壓的影響。應(yīng)將一個(gè) 0.1μF 旁路電容放置在靠近接收器 VCC 輸入的位置。為了最小化旁路環(huán)路中的電感，電容器的接地引線應(yīng)直接連接到實(shí)心接地層，IC接地引腳也應(yīng)通過(guò)與其相鄰的通孔連接。最后，為了盡量減少與接收器電路的噪聲耦合，應(yīng)避免在任何電源電路附近或附近布線接收器走線。

編碼器信號(hào)線

由于來(lái)自正交編碼器的差分信號(hào)是平衡的，因此可以通過(guò)常規(guī)配對(duì)電纜傳輸，但首選雙絞線電纜。雙絞線電纜具有非常低的電感耦合和高達(dá)幾兆赫茲的恒定阻抗，可在運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)極高的速度性能。雙絞線電纜還有助于降低輻射和接收的EMI。

雙絞線電纜有屏蔽或非屏蔽兩種選擇。非屏蔽電纜更小，成本更低，重量更輕，并且可以在更小的半徑內(nèi)彎曲，但差分正交編碼器信號(hào)必須使用屏蔽雙絞線電纜。屏蔽雙絞線電纜提供更好的共模抑制，因?yàn)槠帘翁峁┝祟~外的電磁干擾（EMI）保護(hù)。實(shí)際非屏蔽雙絞線電纜中的非理想扭曲允許EMI噪聲急劇增加。將屏蔽線連接到編碼器輸入連接器處的接收器接地層。

編碼器的信號(hào)線根本不應(yīng)攜帶功率電平信號(hào)或任何其他信號(hào)。也不應(yīng)靠近或平行于傳輸功率電平信號(hào)或其他噪聲信號(hào)（包括 60Hz 功率）的其他電纜或?qū)Ч堋?/p>

現(xiàn)代高速伺服控制系統(tǒng)使用編碼器運(yùn)行，編碼器可提供高達(dá)幾兆赫茲的數(shù)據(jù)速率。在如此高的速率下，編碼器信號(hào)電纜必須在接收器端使用終端電阻或網(wǎng)絡(luò)正確端接。理想情況下，終端電阻與電纜的特性阻抗具有相同的值。

由于RS-422網(wǎng)絡(luò)上只有一個(gè)發(fā)射器（編碼器輸出）（一個(gè)發(fā)射器和一個(gè)接收器），因此發(fā)射器不需要終端電阻。然而，非端接接收器輸入上的振鈴和反射可能會(huì)將數(shù)據(jù)吞吐量限制為每秒幾百千比特。將電纜的特性阻抗匹配到±20%以內(nèi)通常綽綽有余。編碼器電纜的正確端接如圖 2 和圖 3 所示。

因此，現(xiàn)代高速伺服系統(tǒng)可以設(shè)計(jì)為穩(wěn)健且容錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)控制反饋系統(tǒng)。運(yùn)動(dòng)控制器的接收器電路必須可預(yù)測(cè)地響應(yīng)可能出現(xiàn)的各種故障，并且接收器電路的正確PC布局可以防止編碼器數(shù)據(jù)中的噪聲問(wèn)題。設(shè)計(jì)人員還應(yīng)考慮正交編碼器的信號(hào)布線系統(tǒng)，包括接收器電路的端接。這些預(yù)防措施產(chǎn)生了一個(gè)強(qiáng)大的運(yùn)動(dòng)控制反饋系統(tǒng)，該系統(tǒng)在故障條件下是穩(wěn)定和可預(yù)測(cè)的。

邊欄：故障類型 （FT）

開(kāi)路、短路和介于兩者之間的條件是系統(tǒng)級(jí)別最明顯的故障。電機(jī)和反饋編碼器通常位于距離伺服系統(tǒng)控制器/放大器數(shù)十到數(shù)百英尺的地方。連接器在兩端終止這些長(zhǎng)電纜，電線可能會(huì)從連接器中脫落、連接器斷裂以及電纜無(wú)意中打開(kāi)。當(dāng)端部連接器因機(jī)器振動(dòng)而斷開(kāi)或電線斷裂時(shí)，開(kāi)路或短路故障通常表現(xiàn)出幾次開(kāi)路/重新連接或短路/開(kāi)路循環(huán)，類似于開(kāi)關(guān)中的觸點(diǎn)在完全打開(kāi)或短路之前反彈。由于反饋編碼器信號(hào)通常通過(guò)雙絞線傳輸，因此差分信號(hào)在短路故障期間可能會(huì)一起短路。

當(dāng)反饋線的電阻或電容增加時(shí)，可能會(huì)出現(xiàn)中間故障，當(dāng)安裝不良擠壓電纜時(shí)，可能會(huì)出現(xiàn)中間故障。這些問(wèn)題也可能在以后的操作中表現(xiàn)出來(lái)。例如，當(dāng)濕氣進(jìn)入損壞的電纜護(hù)套時(shí)，電纜電容會(huì)隨著時(shí)間的推移而增加，從而導(dǎo)致信號(hào)強(qiáng)度降低。這種情況在重工業(yè)環(huán)境中很常見(jiàn)，自動(dòng)化設(shè)備可能需要每天沖洗。即使電纜的性能會(huì)隨著時(shí)間的推移而下降，電纜仍可正常工作。作為預(yù)防措施，您應(yīng)該包括一個(gè)用于檢測(cè)濕氣污染故障的電路。

噪聲故障可能是最難消除的，因?yàn)樵肼暱赡軄?lái)自電磁干擾（EMI）、射頻干擾（RFI）和/或接地或系統(tǒng)級(jí)接地環(huán)路。系統(tǒng)級(jí)噪聲源（散熱器）包括：

換向過(guò)程中直流電機(jī)電刷的電弧放電

來(lái)自PWM電機(jī)放大器的高速dv/dt開(kāi)關(guān)噪聲

大功率繼電器、開(kāi)關(guān)和執(zhí)行器，如螺線管

在 60Hz 交流周期內(nèi)隨機(jī)導(dǎo)通 SCR 和 TRIAC

開(kāi)關(guān)電源

靜電放電

噪聲接收器（天線）包括長(zhǎng)電纜、接地連接、PC 板上的長(zhǎng)高阻抗走線和變壓器。噪聲問(wèn)題需要接收器和散熱器之間的耦合方法，例如電容式、電感式或?qū)щ娛今詈稀ｋ娙蓠詈贤ǔ０l(fā)生在高阻抗電路中，當(dāng)電線或其他未接地的金屬片拾取或產(chǎn)生電場(chǎng)時(shí)。為了使電路以容性方式耦合噪聲，電路的環(huán)路阻抗必須超過(guò)空氣的固有阻抗（376.7Ω）。

電感耦合通常發(fā)生在電路環(huán)路阻抗小于376.7Ω的低阻抗電路中。電線、開(kāi)芯電感器和變壓器拾取或產(chǎn)生可能導(dǎo)致EMI噪聲的磁場(chǎng)。在設(shè)計(jì)和安裝過(guò)程中，必須盡量減少這些電路的電流環(huán)路。

傳導(dǎo)耦合噪聲通常在地進(jìn)入電路。對(duì)于直流噪聲，它采用接地層中直流電阻最小的路徑，對(duì)于交流耦合噪聲，它采用最小阻抗的路徑。因此，電路參考點(diǎn)（地）的電壓往往高于或低于其正常值，或者（最壞情況）動(dòng)態(tài)變化的值。

在交流電源中性線和系統(tǒng)級(jí)接地之間形成的接地環(huán)路會(huì)導(dǎo)致接地電流流動(dòng)，從而產(chǎn)生隨機(jī)噪聲。接地電流可能由電壓差、其他電纜或設(shè)備的感應(yīng)、接線錯(cuò)誤、接地故障或工業(yè)環(huán)境中發(fā)生的正常設(shè)備泄漏驅(qū)動(dòng)。

共模噪聲定義為兩個(gè)浮動(dòng)或表現(xiàn)出高阻抗的節(jié)點(diǎn)共有的，可以是交流或直流。共模噪聲可能是系統(tǒng)設(shè)計(jì)中固有的，但通常從外部源進(jìn)行電感或電容耦合。例如，來(lái)自電源線的60Hz信號(hào)與來(lái)自模擬傳感器的一對(duì)信號(hào)線相鄰，可以電感耦合到電線上并淹沒(méi)低電平傳感器信號(hào)。

當(dāng)兩種不同的材料聚集在一起，轉(zhuǎn)移電荷并分開(kāi)，在它們之間產(chǎn)生電壓時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生靜電放電（ESD）。當(dāng)技術(shù)人員在維護(hù)期間連接或斷開(kāi)這些電纜時(shí)，連接到外部連接器的 IC 引腳容易受到 ESD 的影響。

注入IC引腳的ESD會(huì)導(dǎo)致IC閂鎖或完全失效。在閂鎖期間可能會(huì)流出非常高的電流，導(dǎo)致主電源達(dá)到電流限制，或?qū)е孪到y(tǒng)進(jìn)入不受控制的關(guān)機(jī)狀態(tài)。暴露于外部信號(hào)的IC引腳或沒(méi)有內(nèi)部ESD保護(hù)的連接器必須包含ESD保護(hù)，如金屬氧化物壓敏電阻，或硅雪崩抑制器，如TransZorbs。具有內(nèi)置ESD保護(hù)的IC可節(jié)省PC空間，從而支持更小外形尺寸和更小工業(yè)外殼的驅(qū)動(dòng)。

邊欄：反饋編碼器類型 （FE）

為了獲得準(zhǔn)確的定位，伺服系統(tǒng)需要一個(gè)反饋信號(hào)來(lái)關(guān)閉其反饋回路。通常提供反饋信號(hào)的儀器包括光學(xué)編碼器、旋轉(zhuǎn)變壓器和正交磁致伸縮線性位移傳感器。本文不討論用于此目的的其他儀器類型。它們包括模擬轉(zhuǎn)速計(jì)發(fā)生器、感應(yīng)發(fā)電機(jī)、霍爾效應(yīng)拾音器和電位器。

提供數(shù)字方波反饋信號(hào)的光學(xué)編碼器包括正交（增量）、絕對(duì)和偽隨機(jī)類型。典型的光學(xué)編碼器由發(fā)射器側(cè)、檢測(cè)器側(cè)和碼盤組成，碼盤為編碼器的處理電路提供原始模擬信號(hào)。然后，比較器級(jí)將模擬輸出轉(zhuǎn)換為數(shù)字輸出。數(shù)字格式包括集電極開(kāi)路輸出和（對(duì)于單端輸出）5V至24V邏輯。對(duì)于抗噪性，最可靠的輸出是互補(bǔ)的差分RS-422類型。

正交光學(xué)編碼器以 A、B 和 Z 脈沖的形式提供反饋信號(hào)。A 和 B 信號(hào)與編碼器的碼盤呈 90° 的相位分離，因此呈正交（即電間隔四分之一周期）。當(dāng) A 在 B 之前變?yōu)檎禃r(shí)，編碼器順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，反之亦然，逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)。因此，位置、方向和速度數(shù)據(jù)可以從這兩個(gè)信號(hào)中得出。Z 信號(hào)指示電機(jī)的轉(zhuǎn)子位置，以及編碼器軸是否旋轉(zhuǎn)了 360°。它還檢查 A 和 B 信號(hào)的計(jì)數(shù)錯(cuò)誤。對(duì)于 RS-422 連接，編碼器為 A、B 和 Z 輸出提供互補(bǔ)信號(hào)。

絕對(duì)式光學(xué)編碼器采用類似于正交光學(xué)編碼器的信號(hào)處理組件，但其輸出每轉(zhuǎn)數(shù)增量提供一個(gè)并行二進(jìn)制字。典型輸出為 13 至 1200 位 BCD、格雷或自然二進(jìn)制代碼，12 位輸出施加較低的頻率響應(yīng)（600 位為 13 RPM，360 位為 <> RPM），以換取每 <>° 旋轉(zhuǎn)的更精細(xì)分辨率。這種編碼器類型通常用于在上電和斷電期間監(jiān)控軸位置，因?yàn)榕c正交編碼器不同，編碼輸出允許您在不移動(dòng)編碼器的情況下讀取軸位置。

新型偽隨機(jī)光學(xué)編碼器提供三種輸出信號(hào)：A 和 B 提供方向感測(cè)和空間定時(shí)，第三種提供位置數(shù)據(jù)。偽隨機(jī)光學(xué)編碼器需要旋轉(zhuǎn) 1° 到 2° 才能確定位置。

旋轉(zhuǎn)變壓器是提供正弦和余弦輸出波形的反饋編碼器，可以通過(guò)伺服控制器對(duì)其進(jìn)行處理以提供速度和位置數(shù)據(jù)。旋轉(zhuǎn)變壓器的反饋信號(hào)表示其軸旋轉(zhuǎn)時(shí)的絕對(duì)位置，但低速性能較差。旋轉(zhuǎn)變壓器的主要缺點(diǎn)是處理其信號(hào)所需的相對(duì)昂貴的旋轉(zhuǎn)變壓器到數(shù)字電子設(shè)備。

最后，正交磁致伸縮線性位移傳感器（LDT）是反饋編碼器/換能器，旨在測(cè)量線性運(yùn)動(dòng)，而不是上述編碼器測(cè)量的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。模擬位置信號(hào)由沿磁致伸縮導(dǎo)絲發(fā)送的電流脈沖產(chǎn)生，與位置磁體相互作用，位置磁體隨從LDT突出的線性位移桿移動(dòng)。反射脈沖由拾音傳感器感應(yīng)。然后，LDT對(duì)拾取傳感器信號(hào)進(jìn)行處理和數(shù)字化，以提供正交輸出信號(hào)A、B和Z，類似于正交編碼器。

審核編輯：郭婷