设计坚固、容错的运动控制反馈系统

 

叶云燕

 

目前的应用正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。一个坚固工作系统的关健在于它处理机械和电气故障的方法。

伺服系统

 

现代的自动化系统为了完成运动控制都要组成闭环系统。运动控制系统一般都含有一个伺服系统，该系统电机驱动器和反馈元件组合而成，对于速度和位置提供精确、稳定的控制。一个典型的伺服系统的组成如图1所示。

 

 

对高性能、高速的应用系统，直流无刷电机是可取的。值此所述系统均采用的是无刷电机。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。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，由于传动装置和导螺杆中的齿隙所导致的误差，使得旋转轴的位置和电机轴的位置不一致。典型的运动控制卡或模块包含一个运动控制芯片，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。控制器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。要设计一个坚固的、具有容错能力的运动控制反馈系统，在设计过程中要涉及以下几个方面的内容：

·控制器—编码器输入电路(接收器电路)

·接收器印刷电路板的设计

·编码器信号电缆系统.

 

控制器接收电路

 

电机的正交编码器输出6路RS-422／RS—485(MAX3095)信号(A、、B、B、INDEX和)，通过电缆传送至运动控制器的接收电路——编码器信号输入电路。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电路进行处理。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。图2所示是一个典型的运动控制器的编码信号输入接收电路。

 

 

IC1是一个10Mbps、5V、四通道RS-422／RS-485接收器，具有引5kV ESD保护。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。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、或B、之间跨接一个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，要想运动控制器采取适当的行动，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。

 

另一种改进的电路(图3)包含了2片IC，每片都包含三路RS—422／RS-485(MAX3098)接收器。各接收器均具有内置的故障检测、±15kVESD保护和32Mbps的数据速率。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。

 

 

任何一路编码器输入发生故障都会立即在相应输出发出逻辑高信号：ALARMA、ALARMB或ALARMZ。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ALARMD输出(ALARMA、ALARMB和ALARMZ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封装，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

 

正确的接收电路布局要从RS—422编码器的输入连接器开始。差分信号对A／、B／和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，应通过一个靠近的过孔打到地。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。

 

编码器信号电缆

 

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。

 

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，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RS422网络(—个发送器和一个接收器)上只有一个发送器(编码器输出)，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2、

图3所示。

 

结论

 

由上述的设计,就可以为坚固的具有容错能力的运动反馈控制系统设计一个现代高速伺服系统。运动控制器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。设计者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。