關(guān)于運動控制及系統(tǒng) 　　 應(yīng)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(lǐng)域得到應(yīng)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(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、帶反饋和運動I/O的馬達(dá)（伺服或步進(jìn)）、馬達(dá)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(jìn)控制用。 圖1：為運動控制系統(tǒng)組成示意框圖 從圖1可見Power Drives（傳動裝置）將運動控制模塊與特定應(yīng)用馬達(dá)、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(dāng)PowerDrive的性能不能滿足應(yīng)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(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)要歸功于新技術(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、高性能的運動功能，故可以簡單易用的運動控制模塊、軟件、以及外設(shè)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(jī)伺服系統(tǒng)中的應(yīng)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(shù)作分析說明。 運動控制模塊的應(yīng)用—直流無刷電機(jī)伺服系統(tǒng) 　　 運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(jī)伺服系統(tǒng)由運動控制模塊（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所示為運動控制模塊組成的直流無刷電機(jī)伺服系統(tǒng)方塊圖。 圖2：運動控制模塊的應(yīng)用－直流無刷伺服系統(tǒng)框圖 從圖2看出，該運動控制系統(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(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(dāng)?shù)碾妷汉碗娏鳎üβ剩┤ヲ?qū)動電機(jī)運轉(zhuǎn)。這樣的運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(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(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)。 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(yīng)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(hù)（內(nèi)置于MAX3095） 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?。?dāng)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(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。 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 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?。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 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 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。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(hù)，屏蔽雙絞線具有更好的共模抑制。實際的