RS-485 IC提高了電機控制電路中的系統可靠性和故障檢測

應用獨特的3通道RS-485收發器，顯示許多不尋常的功能，可提高電機控制應用中的可靠性和故障檢測。MAX3097和MAX3098專為電機軸編碼器應用而設計，具有三個差分通道，用于處理光學編碼器數據，±15kV ESD保護，共模抑制增強至-10和+13.2V，三個獨立的故障報警標志，以及故障安全開路和短路檢測。報警標志指示線路開路或短路情況、共模電壓范圍過大以及信號強度低。

現代工廠使用大型電動機來控制工廠運行所需的機器。為了提高靈活性和準確性，這些電動機有時由處理器控制?？刂七@些大型電機的電子設備必須設計成這樣一種方式，即如果出現問題，電機將安全快速地關閉。未能檢測到問題并充分控制電機可能會導致昂貴的設備損壞，以及受傷甚至死亡。MAX3097E/MAX3098E專門設計用于絕對定位控制環路中的電機。這些部件具有獨特的功能，可在惡劣的工業環境中實現更安全、更堅固的設計。為了更好地理解MAX3097E/MAX3098E的獨特特性，我們首先回顧一下電機控制的基礎知識。

圖1.處理器控制的電動機的主要構建模塊。

圖 1 中的模塊包括處理器、電機驅動電路、電動機和編碼器。處理器決定電機的驅動力度和驅動位置。電機驅動電路包含驅動電機所需的所有電力電子設備，編碼器向處理器提供位置、方向和速度信息，從而閉環。要了解MAX3097E/MAX3098E的工作原理，必須很好地掌握編碼器的工作原理。

編碼器操作

編碼器的功能是向處理器提供速度、方向和位置信息。電機編碼器可以采用許多不同的形式。MAX3097E/MAX3098E設計用于三路輸出編碼器工作，該編碼器通常采用光學結構。光學編碼器的工作原理是通過輪子或標記的圓盤照射光線，該圓盤隨電機轉動。根據應用和所需的精度，編碼器的邊緣周圍有不同數量的槽/標記。此外，位于下面的另一個插槽用于索引。兩個光學傳感器的位置使得在主插槽上提供正交信息。最終結果是三個數字輸出，通常稱為 A、B 和 Z。參見圖2。

圖2.光學編碼器盤。

速度

編碼器輪通常每轉一圈電機，或者處于齒輪比。因此，來自A和B輸出的數字信號的頻率與電機的速度成比例變化。例如，將 1000 線編碼器直接耦合到以 5000RPM 旋轉的電機，產生 83kHz 的頻率。因此，通過測量 A 或 B 輸出的頻率，處理器可以確定電機的速度。

方向

方向可以通過測量A和B輸出之間的相位差來確定。在圖 2 中，如果 A 在 B 之前上升，則電機沿一個方向轉動，或者如果 B 在 A 之前上升，則電機向另一個方向轉動。

位置

索引脈沖可用作電機旋轉位置的參考點。一旦知道索引脈沖的位置，就可以對A和B輸出進行計數，以更準確地確定位置。使用100槽光學編碼器，電機軸的位置可以解析到4度以下。

使電子設備遠程化

MAX3097E/MAX3098E如何適應圖片？這個拼圖還缺少一塊。在典型的工業設置中，通常需要將所有控制電子設備放在一個中心點，以簡化維護和接線問題。以傳送帶系統為例，傳送帶可以長達數百英尺，但控制電子設備通常位于機柜本地。這給設計人員帶來了一個問題，因為使用這些系統的環境通常是電子噪聲的。為了降低噪聲，設計人員通常采用通過RS-485器件傳輸三編碼器信號的方法（在本文中，RS-422和RS-485可以互換使用）。RS-485是天然的，因為它對噪音具有很高的抗擾度和長距離行駛的能力。在典型應用中，使用四通道驅動器和接收器：26LS32和26LS31或類似器件，如圖3所示。

圖3.電機編碼器的典型遠程安裝。

該解決方案比不使用RS-485驅動器的系統更強大。但是，長線路存在問題，MAX3097E/MAX3098E專門設計用于解決，在26LS31和26LS32型器件上，可通過以下方式改進：

高靜電保護

更好的共模抑制

故障識別

高靜電保護

所有器件均具有ESD保護，但MAX3097E/MAX3098E的保護電平遠高于典型值：使用人體模型時為15kV。這意味著ESD事件導致錯誤的可能性較小，從而導致電機控制器停止正常工作。ESD結構的詳細說明超出了本文的范圍，但更多信息可以從應用筆記651“I/O端口的ESD保護”中獲得。

更好的共模抑制

使用電機編碼器的環境通常電氣噪聲很大。系統內各種接地之間可能會出現共模差異。典型的RS-485器件具有-7V至+ 12V的共模抑制范圍。在MAX3097E/MAX3098E中，Maxim將這一范圍從-10V擴展至+13.2V。

故障識別

雖然上述優點很有幫助，但MAX3097E/MAX3098E的真正功率在于能夠識別和指示電機控制器μP的故障。 查看圖 4，請注意有五個引腳，分別標記為 AlarmA、AlarmB、AlarmZ、AlarmD 和 Delay。這些引腳是MAX3097E/MAX3098E獨有的，為電機控制器提供發生物理線路錯誤的信息。一旦電機控制器確定發生了錯誤，就可以采取適當的措施來確保系統有序安全地關閉。

圖4.MAX3097引腳排列

AlarmA、AlarmB 和 AlarmZ 的功能相同，但指示各自導線上的故障。故障D輸出是三個信號的OR。此外，它還內置了可編程延遲。此輸出應用于全局警報。延遲是為了在信號相互交叉時阻止故障檢測器的錯誤觸發。下面描述可以檢測的錯誤以及如何使用MAX3097E/MAX3098E來確定發生了哪些錯誤。

檢測過大的共模范圍

如前所述，MAX3097E/MAX3098E的共模范圍為-10V至+13.2V。雖然這明顯優于典型RS-485器件的共模范圍（-7V至+ 12V），但仍有可能超出此范圍。如果超出典型RS-485接收器的共模輸入范圍，則不能依賴它提供正確的輸出狀態。MAX3097E/MAX3098E也是如此，但相關的報警引腳輸出將被驅動為高電平，向處理器表明數據不可靠。參見圖 5。

圖5.這顯示了通道A上由于共模范圍過大而導致的故障報警;該故障表示此時間段內的數據可能不可靠。

檢測開路輸入線

對于任何電纜，電線都可能從連接器中脫落、連接器斷裂以及電纜無意中被切斷。

通常，接收器連接包含一個終端電阻來抑制反射，如圖6所示。通常的值是100Ω或120Ω，具體取決于所用連接電纜的阻抗。

圖6.接收器輸入連接。

圖6顯示了電機編碼器信號接收器的連接。由于終端電阻的存在，如果A突然斷開，則A的電壓電平將被拉向A處的電壓電平。MAX3097E中有一個門限比較器，如果|，則使故障輸出跳閘。VA-A|< 400mV。該技術允許器件檢測其中一條線路上是否存在開路。要使這種技術起作用，必須存在終端電阻。因此，終端電阻應與接收器放置在同一板上，而不是連接在外部螺絲端子上，因為端子可能會脫落。

在正常轉換期間，信號 A 和 A 有一個交叉時間。這將觸發故障比較器，如|VA-A|< 400mV。為避免雜散信號，應使用全局故障輸出（故障D）。MAX3097E/MAX3098E在故障D上具有故障消隱功能，確保輸出在故障存在固定時間段之前不會切換（用戶可通過外部電容設置）。這可確保電機控制器不會因雜散交越信號而受到不必要的中斷。

檢測短接在一起的輸入線

使用長導線和接線端子連接，電線很容易短路在一起。由于RS-485通常通過雙絞線傳輸，因此差分信號可能會短路在一起。

這種情況與開路的情況非常相似，因為如果A和A一起短路，電壓差將小于400mV，因此故障輸出。

圖7.檢測差分信號之間的短路。

檢測信號強度差

在從編碼器到控制電子設備的長距離電纜上，接收端的信號可能小于RS-485和RS-422規定的200mV所需差分信號。例如，可以安裝電纜并|接收的輸入電平VA-A|安裝時可能僅大于200mV。如果隨著時間的推移，水分進入電纜，電纜的電容會增加。因此，接收到的輸入|VA-A|將降至200mV門限以下。在這種情況下，接收到的數據不能保證，MAX3097E/MAX3098E標記故障情況。如圖8所示，檢測電路在工作。

圖8.檢測信號強度差。

不同的安裝需要安全閾值或允許的最大電線長度。為了滿足這兩種需求，MAX3097E和MAX3098E的信號強度門限不同。在MAX3097E中，低壓差分檢測以0.4V為中心，以確保小于200mV的信號被標記為故障。在MAX3098E中，該故障門限以0.2V為中心，以確?？梢越邮盏阶钚‰娖降男盘?。這兩個元件之間的選擇取決于是否需要系統設計發出預警（MAX3097E），或者是否需要實現最大距離（MAX3098E）。

審核編輯：郭婷