關(guān)于運(yùn)動控制及系統(tǒng) 　　 應(yīng)該說運(yùn)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(lǐng)域得到應(yīng)用。 　　 而運(yùn)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(shù)角色的自動控制系統(tǒng)，在許多高科技領(lǐng)域得到了非常廣泛的應(yīng)用，如激光加工、機(jī)器人、數(shù)控機(jī)床、大規(guī)模集成電路制造設(shè)備、雷達(dá)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(yùn)動控制系統(tǒng)主要由五部分構(gòu)成：被移動的機(jī)械設(shè)備、帶反饋和運(yùn)動I/O的馬達(dá)（伺服或步進(jìn)）、馬達(dá)驅(qū)動單元、運(yùn)動控制模塊、以及編程/操作接口軟件，見圖1所示，其運(yùn)動控制芯片或模塊是作為伺服與步進(jìn)控制用。 [ALIGN=CENTER] 圖1：為運(yùn)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(yùn)動控制模塊與特定應(yīng)用馬達(dá)、編碼器、限制器、用戶（運(yùn)動）I/O連接在一起，用一根控制電纜連接運(yùn)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(dāng)PowerDrive的性能不能滿足應(yīng)用需要時，用戶還可選擇通用運(yùn)動接口（UMI）螺絲接線端子附件，與第三方馬達(dá)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(jié)構(gòu)系統(tǒng), 所以基于計算機(jī)的運(yùn)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(shù)、微電子技術(shù)、計算機(jī)技術(shù)及控制原理的進(jìn)步，以交流伺服電動機(jī)為執(zhí)行電動機(jī)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(jī)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(dāng)今的應(yīng)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(jī)器人和自動機(jī)械裝置。這樣的系統(tǒng)要求遠(yuǎn)比以前具有精確的電機(jī)和反饋控制，今天的大多數(shù)性能改進(jìn)要?dú)w功于新技術(shù)和微電子技術(shù)的發(fā)展。這些創(chuàng)新消除了機(jī)器人和自動機(jī)械裝置共用工作空間時產(chǎn)生的碰撞，改進(jìn)了任務(wù)分配并且提高了伺服系統(tǒng)的精確性，從而使自動機(jī)械系統(tǒng)更加可靠地工作。由于運(yùn)動控制芯片或模塊能為一般伺服與步進(jìn)應(yīng)用提供精確、高性能的運(yùn)動功能，故可以簡單易用的運(yùn)動控制模塊、軟件、以及外設(shè)為運(yùn)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(yùn)動控制模塊在直流無刷電機(jī)伺服系統(tǒng)中的應(yīng)用，并對其主要運(yùn)動控制模塊的接收電路與正交編碼器信號電纜技術(shù)作分析說明。 運(yùn)動控制模塊的應(yīng)用—直流無刷電機(jī)伺服系統(tǒng) 　　 運(yùn)動控制模塊要在直流無刷電機(jī)伺服系統(tǒng)中得到應(yīng)用，它必須組成閉環(huán)的運(yùn)動控制系統(tǒng)，這是現(xiàn)代的自動化系統(tǒng)為了完成運(yùn)動控制所持有的特征。 　　 該直流無刷電機(jī)伺服系統(tǒng)由運(yùn)動控制模塊（卡）與伺服電機(jī)、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(yùn)動控制模塊組成的直流無刷電機(jī)伺服系統(tǒng)方塊圖。 [ALIGN=CENTER] 圖2：運(yùn)動控制模塊的應(yīng)用－直流無刷伺服系統(tǒng)框圖[/ALIGN] 從圖2看出，該運(yùn)動控制系統(tǒng)是含有一個直流無刷電機(jī)的伺服系統(tǒng)，而其運(yùn)動控制模塊正交編碼器的接口電路，就是運(yùn)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(yīng)用系統(tǒng)而言，直流無刷電機(jī)是可用的，故此處所述系統(tǒng)均是直流無刷電機(jī)伺服系統(tǒng)。這種電機(jī)的軸端裝有測定軸速和換向點(diǎn)的正交編碼器，用于控制電機(jī)的線圈切換順序。而第二個正交編碼器安裝在機(jī)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(dǎo)螺桿中的齒隙（兩個或多于齒輪間的間隙）所導(dǎo)致的誤差而引起旋轉(zhuǎn)軸的位置和電機(jī)軸的位置不一致問題得到解決。 　　 典型的運(yùn)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(yùn)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(dāng)?shù)碾妷汉碗娏鳎üβ剩┤ヲ?qū)動電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)。這樣的運(yùn)動控制模塊在直流無刷電機(jī)伺服系統(tǒng)中的應(yīng)用就能使系統(tǒng)成為堅固的、具有容錯能力的運(yùn)動控制反饋系統(tǒng)。那么如何應(yīng)用？也就說是如何設(shè)計呢？. 　　■ 運(yùn)動控制模塊與正交編碼器輸出之間的接口電路，即運(yùn)動控制模塊的輸入電路-接收器電路，它是系統(tǒng)的關(guān)鍵； 　　■ 接收器印刷電路板的設(shè)計； 　　■ 正交編碼器信號電纜系統(tǒng)的應(yīng)用。 運(yùn)動控制模塊的接收電路 　　 1、運(yùn)動控制模塊的編碼輸入電路-接收器電路，實際上就是運(yùn)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(hù)。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(yùn)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(shè)定它是RS-422信號），并把信號送至運(yùn)動控制模塊或DSP或ASIC進(jìn)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(yīng),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(yīng)。 [ALIGN=CENTER] 圖3：運(yùn)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(yùn)動控制模塊的編碼信號輸入接收器電路。它應(yīng)是運(yùn)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(hù)（內(nèi)置于MAX3095）[/ALIGN] 為什么IC1要用MAX3095型具有±5kV ESD保護(hù)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(hù)是必須的。這樣省去外部ESD防護(hù)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(bǔ)信號線A、A—、或B、B—之間跨與接一個150Ω電阻提供適當(dāng)?shù)亩私印．?dāng)發(fā)生電纜斷裂或脫離等開路故障時，要使運(yùn)動控制模塊采取適當(dāng)?shù)膭幼鳎紫缺仨殭z測到這些故障。作為一種失效保護(hù)措施，當(dāng)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(dāng)有輸入端接電阻時，它們?nèi)孕璞３质ПＷo(hù)輸出。這個電路具有ESD防護(hù)、開路檢測和輸出短路保護(hù)，但不能檢測輸人短路。 [ALIGN=CENTER] 圖4：該電路是對圖3的改進(jìn)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(hù)以及延遲的告警/故障輸出[/ALIGN] 2、另一種改進(jìn)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(hù)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(yīng)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(dāng)?shù)臅r間。120Ω電阻為RS422電纜提供適當(dāng)?shù)亩私印Ｓ捎贗C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(yùn)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?dāng)_，并降低電感，來自于連接器和接收電路的差分RS-422信號應(yīng)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(yīng)有大電流信號流動。運(yùn)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?？梢跃o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(yīng)直接接到地線層,芯片的接地引腳也是一樣，應(yīng)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(yīng)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(yīng)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(diǎn)。雙絞線具有很低的感應(yīng)耦合，在高達(dá)數(shù)兆赫茲的頻率范圍具有恒定的阻抗，特別適合于運(yùn)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(diǎn)。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(hù)，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(yīng)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(yīng)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(dá)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(luò)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(luò)（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(guān)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(jī)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(bǔ)、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(dāng)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(jī)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(bǔ)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(jìn)制字．一般是十二至十三位的BCD、格雷或自然二進(jìn)制碼，13位輸出只用于低頻響應(yīng)（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(xì)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(jī)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(dǎo)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(jìn)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(jié)論 　　 由上述運(yùn)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(yīng)用與分析，說明該直流無刷電機(jī)伺服系統(tǒng)是一個堅固的具有容錯能力的運(yùn)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(yù)知的反應(yīng)，為了預(yù)防編碼器數(shù)據(jù)的噪聲問題，還要合理地設(shè)計接收器電路的印刷電路板。同對應(yīng)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(yù)防措施，就可以用設(shè)計出性能穩(wěn)定、故障期間具有預(yù)知狀態(tài)的運(yùn)動控制反饋系統(tǒng)。