設計穩健且容錯的運動控制反饋系統

描述

系統中穩健運行的關鍵在于它處理機械和電氣故障的方式。本文討論魯棒且容錯的運動控制系統的設計，其反饋路徑包含正交編碼器。

伺服系統

現代自動化系統集成了用于運動控制的閉環反饋。它們通常包括一個伺服系統，該系統由電機驅動器和反饋元件組成，其組合方式可以對速度和位置進行準確和穩定的控制。典型伺服系統的各種系統級組件如圖1所示。

圖1.這種直流無刷伺服系統使用正交光學編碼器向運動控制器提供速度和位置反饋

直流無刷電機是高性能和高速應用的首選。直流有刷和步進電機適用于低速和要求較低的應用。本文中假設無刷電機。此類電機通常在端軸上包括一個正交編碼器，用于確定軸速度和換向點，以控制電機的線圈開關順序（參見側欄，反饋編碼器類型）。機器旋轉軸上的第二個正交編碼器提供該軸的位置數據，由于齒輪箱和絲杠組件的間隙導致不準確，該位置通常與電機軸位置不同。

典型的運動控制器卡和模塊包括運動控制IC、微處理器以及用于處理高速編碼器信號的DSP或定制ASIC?？刂破飨?a target="_blank">驅動器或放大器提供速度和旋轉方向信號，進而提供適當的電壓和電流（功率）水平來操作電機。要設計具有反饋的魯棒且容錯的運動控制系統，必須在設計期間在系統級別解決以下事項：

控制器編碼器輸入電路（接收器電路）

接收器電路 PC 板布局

編碼器信號布線系統

雖然本文未涉及，但在設計容錯反饋系統時，還應考慮運動控制器輸入，例如硬接線急停和限位輸入。

控制器接收器電路

電機的正交編碼器將六個 RS-422/RS-485 信號（A、A、B、B、索引和索引）通過電纜發送到運動控制器的接收器電路（編碼器輸入）。接收器將RS-422信號轉換為邏輯電平信號（我們假設RS-422信號，因為系統只有一個發射器），并將它們饋送到運動控制器電路進行處理。（有關 RS-422 和 RS-485 的區別，請參閱 www.stg-maximintegrated.com 中的簡短在線教程 RS-485 基礎知識。接收器電路必須響應伺服系統環境中的各種故障，包括開路、短路和噪聲。有關故障和 ESD 的信息，請參閱側欄故障類型。

圖2顯示了典型運動控制器中的編碼器-輸入接收器電路。U1 是一款 10Mbps、5V、四通道 RS-422/RS-485 接收器，具有 ±15kV ESD 保護。對于具有連接到外部組件的編碼器輸入的容錯系統，ESD保護是必須的。由于沒有外部ESD保護元件，因此大大減少了該電路所需的PCB面積。

圖2.作為運動控制器的一部分，該編碼器輸入接收器電路在所有編碼器輸入線路上具有開路檢測和ESD保護（MAX3095內部）

150Ω電阻為從正交編碼器沿雙絞線電纜傳輸的每組互補信號對提供適當的端接。（電纜端接和相關問題將在后面詳細介紹。電纜斷裂或斷開會產生開路故障，必須先檢測到該故障，然后運動控制器才能采取適當的措施。作為故障保護措施，MAX3095接收器輸出根據開路輸入對置位邏輯高電平。1kΩ電阻使接收器的“A”輸入偏置至少比其“B”輸入高200mV。它們對于在存在輸入端接電阻的情況下保持故障安全輸出也是必要的。該電路提供ESD保護、開路檢測和輸出短路保護，但不檢測短路輸入。改進的電路（圖3）包括兩個IC，每個IC包括三個RS-422/RS-485接收器。每個接收器提供內置故障檢測、±15kV ESD 保護和 32Mbps 數據速率。MAX3098E檢測編碼器開路和短路輸入。它還可以檢測低壓差分信號、共模范圍違規和其他故障。其邏輯電平輸出指示哪個接收器輸入具有故障條件。通過直接報告故障，該功能可減少軟件開銷，并最大限度地減少對外部邏輯組件的需求。

圖3.該電路通過檢測開路、短路和中間故障、所有編碼器輸入線路上的ESD保護以及延遲報警/故障輸出來改進圖2的電路。

任何編碼器輸入上的故障都會在相應的輸出上產生即時邏輯高電平：ALARMA、ALARMB 或 ALARMZ。伺服系統的緩慢移動會在正交編碼器信號的過零區域產生瞬態故障，從而觸發“假故障”。您可以通過選擇C_Delay值將報警輸出（報警 a、報警b 和報警 z 的邏輯或）延遲到所需的時間間隔。120Ω電阻為電纜提供正確的RS-422端接。由于該 IC 采用 16 引腳 QSOP 封裝，因此該電路需要的元件更少，并且在 PC 板上占用的空間非常緊湊。

接收器電路 PC 板布局

接收器電路的正確布局始于RS-422編碼器的輸入連接器。差分信號對 A a、B B 和索引索引 必須占用連接器上的相鄰引腳。這種配置通過確保差分對的返回信號-電流路徑重疊和抵消來最大限度地減少信號不平衡。典型的元件放置如圖4所示。為確保每條印刷電路板走線具有相同的寄生電容，請將每對差分走線緊密地布線在一起，長度相等，并具有對稱的彎曲。

圖4.MAX3098三路RS-422/RS-485接收器具有故障檢測功能，確保運動控制器編碼器輸入端的PCB布線和元件放置正確

為了最大限度地減少數字輸出上的電感和電容串擾并提供更低的電感，來自連接器和接收器電路的差分RS-422信號應鋪設在印刷電路板內的實心接地層上。此接地層中不應有大電流信號流動。

運動控制器電路中的高速電流切換會產生共模噪聲。使用濾波器和旁路電容器有助于降低耦合到電源線上的共模電壓的影響。應將一個 0.1μF 旁路電容放置在靠近接收器 VCC 輸入的位置。為了最小化旁路環路中的電感，電容器的接地引線應直接連接到實心接地層，IC接地引腳也應通過與其相鄰的通孔連接。最后，為了盡量減少與接收器電路的噪聲耦合，應避免在任何電源電路附近或附近布線接收器走線。

編碼器信號線

由于來自正交編碼器的差分信號是平衡的，因此可以通過常規配對電纜傳輸，但首選雙絞線電纜。雙絞線電纜具有非常低的電感耦合和高達幾兆赫茲的恒定阻抗，可在運動控制系統中實現極高的速度性能。雙絞線電纜還有助于降低輻射和接收的EMI。

雙絞線電纜有屏蔽或非屏蔽兩種選擇。非屏蔽電纜更小，成本更低，重量更輕，并且可以在更小的半徑內彎曲，但差分正交編碼器信號必須使用屏蔽雙絞線電纜。屏蔽雙絞線電纜提供更好的共模抑制，因為屏蔽提供了額外的電磁干擾（EMI）保護。實際非屏蔽雙絞線電纜中的非理想扭曲允許EMI噪聲急劇增加。將屏蔽線連接到編碼器輸入連接器處的接收器接地層。

編碼器的信號線根本不應攜帶功率電平信號或任何其他信號。也不應靠近或平行于傳輸功率電平信號或其他噪聲信號（包括 60Hz 功率）的其他電纜或導管。

現代高速伺服控制系統使用編碼器運行，編碼器可提供高達幾兆赫茲的數據速率。在如此高的速率下，編碼器信號電纜必須在接收器端使用終端電阻或網絡正確端接。理想情況下，終端電阻與電纜的特性阻抗具有相同的值。

由于RS-422網絡上只有一個發射器（編碼器輸出）（一個發射器和一個接收器），因此發射器不需要終端電阻。然而，非端接接收器輸入上的振鈴和反射可能會將數據吞吐量限制為每秒幾百千比特。將電纜的特性阻抗匹配到±20%以內通常綽綽有余。編碼器電纜的正確端接如圖 2 和圖 3 所示。

因此，現代高速伺服系統可以設計為穩健且容錯的運動控制反饋系統。運動控制器的接收器電路必須可預測地響應可能出現的各種故障，并且接收器電路的正確PC布局可以防止編碼器數據中的噪聲問題。設計人員還應考慮正交編碼器的信號布線系統，包括接收器電路的端接。這些預防措施產生了一個強大的運動控制反饋系統，該系統在故障條件下是穩定和可預測的。

邊欄：故障類型 （FT）

開路、短路和介于兩者之間的條件是系統級別最明顯的故障。電機和反饋編碼器通常位于距離伺服系統控制器/放大器數十到數百英尺的地方。連接器在兩端終止這些長電纜，電線可能會從連接器中脫落、連接器斷裂以及電纜無意中打開。當端部連接器因機器振動而斷開或電線斷裂時，開路或短路故障通常表現出幾次開路/重新連接或短路/開路循環，類似于開關中的觸點在完全打開或短路之前反彈。由于反饋編碼器信號通常通過雙絞線傳輸，因此差分信號在短路故障期間可能會一起短路。

當反饋線的電阻或電容增加時，可能會出現中間故障，當安裝不良擠壓電纜時，可能會出現中間故障。這些問題也可能在以后的操作中表現出來。例如，當濕氣進入損壞的電纜護套時，電纜電容會隨著時間的推移而增加，從而導致信號強度降低。這種情況在重工業環境中很常見，自動化設備可能需要每天沖洗。即使電纜的性能會隨著時間的推移而下降，電纜仍可正常工作。作為預防措施，您應該包括一個用于檢測濕氣污染故障的電路。

噪聲故障可能是最難消除的，因為噪聲可能來自電磁干擾（EMI）、射頻干擾（RFI）和/或接地或系統級接地環路。系統級噪聲源（散熱器）包括：

換向過程中直流電機電刷的電弧放電

來自PWM電機放大器的高速dv/dt開關噪聲

大功率繼電器、開關和執行器，如螺線管

在 60Hz 交流周期內隨機導通 SCR 和 TRIAC

開關電源

靜電放電

噪聲接收器（天線）包括長電纜、接地連接、PC 板上的長高阻抗走線和變壓器。噪聲問題需要接收器和散熱器之間的耦合方法，例如電容式、電感式或導電式耦合。電容耦合通常發生在高阻抗電路中，當電線或其他未接地的金屬片拾取或產生電場時。為了使電路以容性方式耦合噪聲，電路的環路阻抗必須超過空氣的固有阻抗（376.7Ω）。

電感耦合通常發生在電路環路阻抗小于376.7Ω的低阻抗電路中。電線、開芯電感器和變壓器拾取或產生可能導致EMI噪聲的磁場。在設計和安裝過程中，必須盡量減少這些電路的電流環路。

傳導耦合噪聲通常在地進入電路。對于直流噪聲，它采用接地層中直流電阻最小的路徑，對于交流耦合噪聲，它采用最小阻抗的路徑。因此，電路參考點（地）的電壓往往高于或低于其正常值，或者（最壞情況）動態變化的值。

在交流電源中性線和系統級接地之間形成的接地環路會導致接地電流流動，從而產生隨機噪聲。接地電流可能由電壓差、其他電纜或設備的感應、接線錯誤、接地故障或工業環境中發生的正常設備泄漏驅動。

共模噪聲定義為兩個浮動或表現出高阻抗的節點共有的，可以是交流或直流。共模噪聲可能是系統設計中固有的，但通常從外部源進行電感或電容耦合。例如，來自電源線的60Hz信號與來自模擬傳感器的一對信號線相鄰，可以電感耦合到電線上并淹沒低電平傳感器信號。

當兩種不同的材料聚集在一起，轉移電荷并分開，在它們之間產生電壓時，就會產生靜電放電（ESD）。當技術人員在維護期間連接或斷開這些電纜時，連接到外部連接器的 IC 引腳容易受到 ESD 的影響。

注入IC引腳的ESD會導致IC閂鎖或完全失效。在閂鎖期間可能會流出非常高的電流，導致主電源達到電流限制，或導致系統進入不受控制的關機狀態。暴露于外部信號的IC引腳或沒有內部ESD保護的連接器必須包含ESD保護，如金屬氧化物壓敏電阻，或硅雪崩抑制器，如TransZorbs。具有內置ESD保護的IC可節省PC空間，從而支持更小外形尺寸和更小工業外殼的驅動。

邊欄：反饋編碼器類型 （FE）

為了獲得準確的定位，伺服系統需要一個反饋信號來關閉其反饋回路。通常提供反饋信號的儀器包括光學編碼器、旋轉變壓器和正交磁致伸縮線性位移傳感器。本文不討論用于此目的的其他儀器類型。它們包括模擬轉速計發生器、感應發電機、霍爾效應拾音器和電位器。

提供數字方波反饋信號的光學編碼器包括正交（增量）、絕對和偽隨機類型。典型的光學編碼器由發射器側、檢測器側和碼盤組成，碼盤為編碼器的處理電路提供原始模擬信號。然后，比較器級將模擬輸出轉換為數字輸出。數字格式包括集電極開路輸出和（對于單端輸出）5V至24V邏輯。對于抗噪性，最可靠的輸出是互補的差分RS-422類型。

正交光學編碼器以 A、B 和 Z 脈沖的形式提供反饋信號。A 和 B 信號與編碼器的碼盤呈 90° 的相位分離，因此呈正交（即電間隔四分之一周期）。當 A 在 B 之前變為正值時，編碼器順時針旋轉，反之亦然，逆時針旋轉。因此，位置、方向和速度數據可以從這兩個信號中得出。Z 信號指示電機的轉子位置，以及編碼器軸是否旋轉了 360°。它還檢查 A 和 B 信號的計數錯誤。對于 RS-422 連接，編碼器為 A、B 和 Z 輸出提供互補信號。

絕對式光學編碼器采用類似于正交光學編碼器的信號處理組件，但其輸出每轉數增量提供一個并行二進制字。典型輸出為 13 至 1200 位 BCD、格雷或自然二進制代碼，12 位輸出施加較低的頻率響應（600 位為 13 RPM，360 位為 <> RPM），以換取每 <>° 旋轉的更精細分辨率。這種編碼器類型通常用于在上電和斷電期間監控軸位置，因為與正交編碼器不同，編碼輸出允許您在不移動編碼器的情況下讀取軸位置。

新型偽隨機光學編碼器提供三種輸出信號：A 和 B 提供方向感測和空間定時，第三種提供位置數據。偽隨機光學編碼器需要旋轉 1° 到 2° 才能確定位置。

旋轉變壓器是提供正弦和余弦輸出波形的反饋編碼器，可以通過伺服控制器對其進行處理以提供速度和位置數據。旋轉變壓器的反饋信號表示其軸旋轉時的絕對位置，但低速性能較差。旋轉變壓器的主要缺點是處理其信號所需的相對昂貴的旋轉變壓器到數字電子設備。

最后，正交磁致伸縮線性位移傳感器（LDT）是反饋編碼器/換能器，旨在測量線性運動，而不是上述編碼器測量的旋轉運動。模擬位置信號由沿磁致伸縮導絲發送的電流脈沖產生，與位置磁體相互作用，位置磁體隨從LDT突出的線性位移桿移動。反射脈沖由拾音傳感器感應。然后，LDT對拾取傳感器信號進行處理和數字化，以提供正交輸出信號A、B和Z，類似于正交編碼器。

審核編輯：郭婷