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1、进步电机控制编码器应用的可靠性和性能网络导语：旋转编码器广泛用于工业自动化系统。这种编码器的典型用处是用于电机，其中编码器连接到旋转轴，进而为控制系统提供反应。固然编码器的主要用处是角度位置和速度测量，但其他功能例如系统诊断和参数配置也很常见。旋转编码器广泛用于工业自动化系统。这种编码器的典型用处是用于电机，其中编码器连接到旋转轴，进而为控制系统提供反应。固然编码器的主要用处是角度位置和速度测量，但其他功能例如系统诊断和参数配置也很常见。图1显示了一个电机控制信号链，它使用RS-485收发器和微处理器连接绝对编码器ABS编码器从机和工业伺服驱动机主机，用于沟通电机的闭环控制。伺服驱动器和ABS
2、编码器之间的RS-485通讯链路通常需要高达16MHz的高数据速率和低传播延迟时序标准。RS-485布线通常延伸至最大50米，但在某些情况下可长达150米。电机控制编码器应用是数据通讯的挑战性环境，由于电噪声和长电缆长度会影响RS-485信号的完好性。图1.使用RS-485连接绝对编码器从站到伺服驱动器主站，用于沟通电机的闭环控制RS-485信号是平衡的，差分的和固有的噪声免疫。系统噪声与RS-485双绞线电缆中的每根电线一样。一个信号发出与另一个信号相反的信号，耦合到RS-485总线上的电磁场互相抵消。这减少了系统的电磁干扰EMI。此外，增强型ADM3065E2.1V驱动强度可在通讯中实现更
3、高的信噪比SNR。使用ADuM141D可以轻松实现向ADM3065E添加信号隔离。该装置是基于ADI的四通道，数字隔离器我耦合器技术。它可以以高达150Mbps的数据速率运行，因此合适使用50MbpsADM3065ERS-485收发器图2。直接功率注入DPI测量器件抑制注入电源或者输入引脚的噪声的才能。ADuM141D中使用的隔离技术已经过DPIIEC62132-4标准的测试。抗噪性能超过同类产品。该器件在频率范围内保持优异的性能，但其他隔离产品在200MHz至700MHz频段内表现出误码。图2.信号隔离，50MbpsRS-485解决方案简化图-所有连接未显示露出的RS-485连接器上的ESD
4、和编码器到电机驱动器的电缆是常见的系统危险。与可调速电力驱动系统的EMC抗扰度要求相关的系统级IEC61800-3标准要求最低4kV接触/8kV空气IEC61000-4-2ESD保护。ADM3065E具有12kV接触/12kV空气IEC61000-4-2ESD保护，超出此要求。图3显示了IEC61000-4-2标准的8kV接触放电电流波形与人体模型HBMESD8kV波形的比拟。图4显示两个标准指定了彼此不同的波形外形和峰值电流。与IEC61000-4-28kV脉冲相关的峰值电流为30A，而HBMESD的相应峰值电流小于5倍，为5.33A。另一个区别是初始电压尖峰的上升时间，与HBMESD波形相
5、关的10ns相比，IEC61000-4-2ESD的上升时间要快1ns。与IECESD波形相关的功率量远大于HBMESD波形的功率。HBMESD标准要求被测设备EUT承受三次正放电和三次负放电-相比之下，IECESD标准要求10次正放电和10次放电测试。与其他规定不同级别HBMESD保护的RS-485收发器相比，具有IEC61000-4-2ESD额定值的ADM3065E更合适在恶劣环境中运行。与IECESD波形相关的功率量远大于HBMESD波形的功率。HBMESD标准要求被测设备EUT承受三次正放电和三次负放电-相比之下，IECESD标准要求10次正放电和10次放电测试。与其他规定不同级别HBM
6、ESD保护的RS-485收发器相比，具有IEC61000-4-2ESD额定值的ADM3065E更合适在恶劣环境中运行。与IECESD波形相关的功率量远大于HBMESD波形的功率。HBMESD标准要求被测设备EUT承受三次正放电和三次负放电-相比之下，IECESD标准要求10次正放电和10次放电测试。与其他规定不同级别HBMESD保护的RS-485收发器相比，具有IEC61000-4-2ESD额定值的ADM3065E更合适在恶劣环境中运行。很多通讯协议用于编码器;例如EnDat，BiSS，HIPERFACE和Tamagawa。尽管它们存在差异，但编码器通讯协议在实现方面具有相似性。这些协议的接口
7、是串行双向管道，符合RS-422或者RS-485电气标准。固然硬件层存在共性，但运行每个协议所需的软件是唯一无二的。通讯栈和所需的应用程序代码都是特定于协议的。本文重点介绍EnDat2.2接口主端的硬件和软件实现。图3.8kV的IEC61000-4-2ESD波形与8kV的HBMESD波形的比拟延迟分为两类：第一类是电缆的传输延迟，第二类是收发器的传播延迟。光速和电缆的介电常数决定了电缆延迟，典型数目为6ns/m至10ns/m。当总延迟超过半个时钟周期时，主设备和从设备之间的通讯中断。此时，设计人员有以下选择：降低数据速率，降低传播，引入延迟或者主端补偿。选项3可以补偿电缆延迟和收发器延迟，因此
8、是确保系统可以在长电缆上以高时钟速率运行的有效方法。缺点是延迟补偿增加了系统复杂性。在无法进展延迟补偿的系统中，或在具有短电缆的系统中，使用具有短传播延迟的收发器的价值是显而易见的。低传播延迟可实现更高的时钟速率，而无需在系统中引入延迟补偿。主实现包括串行端口和通讯堆栈。由于编码器协议不符合标准端口例如UART，因此无法使用大多数通用微控制器上的外设。相反，FPGA的可编程逻辑可实现硬件中的专用通讯端口，并支持延迟补偿等高级功能。固然FPGA方法很灵敏，可以根据应用进展定制，但它也有缺点。与处理器相比，FPGA本钱高，耗电量大，并且具有大量的产品上市时间。本文中讨论的EnDat接口的实现是在A
9、DI公司的ADSP-CM40x上完成的，该公司是一款针对电机控制驱动器的处理器。除了用于电机控制的外围设备，例如脉冲宽度调制器PWM定时器，模数转换器ADC和sinc滤波器，该器件具有高度灵敏的串行端口SPORT。这些SPORT可以模拟很多协议，包括编码器协议，如EnDat和BiSS。由于具有丰富的外围设备，因此可以执行高级电机控制，以及与具有一样设备的编码器接口。换句话讲，消除了对FPGA的需求。图4.实验设置EnDat2.2测试设置如图4所示.EnDat从站是KollmorgenAKM22的标准伺服电机，EnDat编码器ENC1113安装在轴上。三对电线数据，时钟和电源线将编码器连接到收发
10、器板。EnDatPHY上的编码器有两个收发器和电源。其中一个收发器用于时钟，另一个收发器用于数据线。EnDat主机采用ADSP-CM40x，采用标准外设和软件组合实现。发送端口和接收端口均采用灵敏的SPORT实现。EnDat协议由很多不同长度的不同帧组成。但是，这些帧都基于一样的序列，如图5所示。首先，主机向从机发出命令，然后从机处理命令并执行必要的计算。最后，从站将结果发送回主站。发送时钟TxCLK由处理器ADSP-CM40x生成。由于系统中的延迟，来自编码器的数据在返回处理器之前将与发送时钟异相。为了补偿传输延迟tDELAY，处理器还发出一个接收时钟RxCLK，与发送时钟相比，它延迟了tD
11、ELAY。使接收时钟与从从设备接收的数据同相是补偿传输延迟的有效方法。图5.EnDat发送/接收序列来自处理器的时钟信号是连续的，而EnDat协议规定时钟必须仅在通讯期间应用于编码器。在所有其他时间，时钟线必须保持高电平。为理解决这个问题，处理器产生一个时钟使能信号CLKEN，该信号被送到ADM3065E数据使能引脚。经过两个时钟周期2T后，主机开场在TxDATA上输出命令。该命令长6位，后跟两个0位。为了控制通过收发器的数据方向，处理器在发送时将BitTx/RxEN设置为高电平。当从机预备响应时，系统进入等待状态，主机继续应用时钟，但数据线处于非活动状态。当从器件预备好响应时，数据线接收数据被拉高并且响应立即发送。在接收到n位响应后，主机通过将CLKEN信号设置为低来停顿时钟。同时，ENCCLK信号变高。数据流是半双工的，组合数据线上的流量显示为ENC数据。图6.EnDat数据交换图6显示了EnDat系统的测试结果。测试中使用的时钟频率为8MHz，通过相移接收时钟实现延迟补偿。底部信号是来自EnDat主站的命令。此处显示的命令是发送位置，即两个0，然后是六个1，最后是另外两个0。总的来讲，命令长度为10位。编码器的响应是来自顶部的第三个信号。组合数据线是来自顶部的第二个信号。最后，顶部信号是应用于编码器的时钟。