运动控制模块在直流无刷电机伺服系统中的应用.docx

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1、运动控制模块在直流无刷电机伺服系统中的应用运动控制模块在直流无刷电机伺服系统中的应用 lihan 导语：本文讨论运动控制模块在直流无刷电机伺服系统中的应用 摘要：本文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讲明。一个巩固、容错的运动控制系统的设计和它的反应通道采用的正交编码器。 1 关于运动控制及系统 应该讲运动控制系统己经闻世多年度了，对此并不生疏，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、经过控制、传动控制并列为典型的控制形式，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

2、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，和柔性制造系统FMSFlesible Maunfacturing systm等等。而这运动控制系统的组成主要由五局部构成：被挪动的机械设备、带反应和运动IO的马达伺服或者步进、马达驱动单元、运动控制模块、和编程操作接口软件，见图1所示。其运动控制芯片或者模块是作为伺服与步进控制用。 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应信号提供一个通道。当Pow

3、erDrive的性能不能知足应用需要时，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。 因为一般盛行的的解决方案均为封闭式构造系统， 所以基于计算机的运动解决方案所拥有的附加灵敏性及低本钱潜力使其受到普遍欢送。 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，以沟通伺服电动机为执行电动机的沟通伺服驱动具有了可与直流伺服驱动相比较的特性，进而使得沟通伺服电动机固有的优势得到了充分的发挥，沟通伺服驱动已成为当代伺服驱动开展的方向。沟通伺服技术自20世纪90年度代初开展至今，技术日臻成熟，性能不断进步，现已广泛应用于数控机床，印刷包装机械、纺织机械，自动化

4、消费线等自动化领域为用户进步加工精度和工艺程度，获得良好的经济技术效益，提供了最正确的解决方案。 而当今的应用，最迫切需要可以在苛刻复件下，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准确的电机和反应控制，今天的大多数性能改良要归功于新技术和微电子技术的开展。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，改良了任务分配并且进步了伺服系统的准确性，进而使自动机械系统更加可靠地工作。由于运动控制芯片或者模块是能为一般伺服与步进应用提供准确、高性能的运动功能，故可以简单易用的运动控制模块、软件、和外设可为运动和测量集成需求提供最正确集成解决方案

5、。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讲明。 2 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，它必须组成闭环系统的运动控制系统，这是当代的自动化系统为了完成运动控制所持有的特征。 直流无刷电机伺服系统由运动控制模块卡与伺服电机、驱动器和反应元件反应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准确与稳定的控制。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。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

6、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，它接收通过反应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，故值此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者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或者定制ASIC专用集成电路。运动控制模块为驱动器或者

7、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糸统成为巩固的、具有容错才能的运动控制反应系统。那末怎样应用？也就讲是怎样设计呢？从对信号控制的角度来讲，只要该糸统应用中以下主要几个问题进展分折讲明，就清楚了。 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 3 运动控制模块的接收电路 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。本糸统采用

8、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-422RS-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者DSP或者ASIC进展处理。接收电路必须对来自伺服系统的各种故障包括开路、短路、噪声等做出反响，即对来正交编码器输出中的开路、短路、

9、噪声编码信号做出反响。图3所示是一个典型的运动控制模块的编码信号输入接收器电路即运动控制模块与正交编码器输出之间的接口电路。这儿INDEX:是正交编编器的一条输出信号，每旋转一周发出一个脉冲。 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或者B、B之间跨与接一个150电阻提供适当的端接。当发生电缆断裂或者脱离等开路故障时，要使运动控制模块采取适当的动作，

10、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。1k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。 另一种改良的电路图4包含了2片ICMAX3098，每片都包含三路RS422/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。它的逻辑电平输出可以指示哪一路接收器输入发生了

11、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。伺服系统挪动缓慢时，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的逻辑或者延迟适当的时间。120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，因此在印刷电路板上占用的空间也很小。 4 接收电路印制板布局图5为典型接收电路印

12、制板布局图。 正确的接收电路布局要从RS-422编码器的输入连接器开场。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一样的寄生电容，每对信号线要尽量靠近、长度一样并且尽量对称。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。

13、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，应防止接收器的信号线靠近功率电路。 5 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，因此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，十分合适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

14、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者其它任何信号。也不能和其他载有功率信号或者噪声信号，包括60Hz电源的电缆或者管道靠近或者平行布线。 当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者网络正确地端接。理想情况下，端接电阻值和电缆的特性阻抗一样。 由于RS-422网络 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

15、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。 6 关于反应编码器类型的讲明 由于为实现准确定位，伺服系统必须有一个反应信号使反应形成闭环。而能提供这种反应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。 6.1 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

16、靠的输出是互补、差分的RS-422。正交光电编码器输出的反应信号有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，说明编码器是顺时针旋转的，反之，编码器为逆时针旋转。因此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。 6.2 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、格雷或者自然二进制码，13位输出只用于低频

17、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，在编码器没有挪动时，轴的位置可以通过编码输出读得。 6.3 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。 旋转变压器是具有正弦和余弦信号输出的反应编码器，通过伺服系统控制器的处理，可以从中获得速度和位置数据当轴旋转时，旋转变压器的反应信号可以提供绝对位置信息，但其低速性能较差。这种编码器的主要缺点是将信号转换为数字信号时，要对信号进展必要的处理，造价

18、相对较高。 6.4 正交型磁致伸缩线性位移传感器LDT是用来测量直线挪动的反应编码器/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挪动，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对它进展处理，转换为和正交编码器相似的数字输出信号A，B、和Z。 7 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，讲明该直流无刷电机伺服系统是一个巩固的具有容错才能的运动反应控制系统属一个当代高速伺服系统。该系统的接收电路必须对产生的各种故障做出预知的反响，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应系统。 0