基于直流無刷伺服電機的的運動反饋控制系統的設計方案

關于運動控制及系統

運動控制系統己經聞世多年了在各個領域得到應用。

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角色的自動控制系統，在許多高科技領域得到了非常廣泛的應用，如激光加工，機器人，數控機床。大規模集成電路制造設備、雷達和各種軍用武器隨動系統，以及柔性制造系統（FMS）等。而運動控制系統的組成主要由五部分構成：被移動的機械設備、帶反饋和運動I/O的馬達（伺服或步進）、馬達驅動單元、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控制用。

圖1 為運動控制系統組成示意框圖

從圖1可見傳動裝置將運動控制模塊與特定應用馬達、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傳動裝置，為全部的命令集與反饋信號提供一個通道。當傳動裝置的性能不能滿足應用需要時，用戶還可選擇通用運動接口（UMI）螺絲接線端子附件，與第三方馬達和驅動器/放大器連接。

因為一般盛行的的解決方案均為封閉式結構系統， 所以基于計算機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、微電子技術、計算機技術及控制原理的進步，以交流伺服電動機為執行電動機的交流伺服驅動具有了可與直流伺服驅動相比擬的特性，從而使得交流伺服電動機固有的優勢得到了充分的發揮，交流伺服驅動已成為現代伺服驅動發展的方向。交流伺服技術現已廣泛應用于數控機床，印刷包裝機械、紡織機械，自動化生產線等自動化領域。為用戶提高加工精度和工藝水平，取得良好的經濟技術效益，提供了最佳的解決方案。

而當今的應用，最迫切需要可以在苛刻條件下，一天24小時連續工作的、可靠耐用的工業機器人和自動機械裝置。這樣的系統要求遠比以前具有精確的電機和反饋控制，今天的大多數性能改進要歸功于新技術和微電子技術的發展。這些創新消除了機器人和自動機械裝置共用工作空間時產生的碰撞，改進了任務分配并且提高了伺服系統的精確性，從而使自動機械系統更加可靠地工作。由于運動控制芯片或模塊是能為一般伺服與步進應用提供精確、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伺服系統中的應用， 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作分析說明。

運動控制模塊的應用-直流無刷電機伺服系統

運動控制模塊要在直流無刷電機伺服系統中得到應用，它必須組成閉環系統的運動控制系統。

該直流無刷電機伺服系統由運動控制模塊（卡）與伺服電機、驅動器和反饋元件（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定的控制。圖2所示為運動控制模塊組成的直流無刷電機伺服系統方塊圖。

圖2 用運動控制模塊與反饋速度和位置信號的正交編碼器等組成的直流無刷伺服系統

從圖2看出，該運動控制系統是含有一個直流無刷電機的伺服系統，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、高速的應用系統而言，直流無刷電機是可用的，在此所述系統均是直流無刷電機伺服系統。這種電機的軸端裝有測定軸速和換向點的正交編碼器，用于控制電機的線圈切換順序。而第二個正交編碼器安裝在機械裝置的旋轉軸上，它輸出旋轉軸的位置數據信號，使由于傳動裝置和導螺桿中的齒隙（兩個或多于齒輪間的間隙）所導致的誤差而引起旋轉軸的位置和電機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。運動控制模塊為驅動器或放大器提供一個控制轉動速度和方向的信號，驅動器把它轉換為適當的電壓和電流去驅動電機運轉。這樣的運動控制模塊在直流無刷電機伺服系統中的應用就能使糸統成為堅固的、具有容錯能力的運動控制反饋系統。該系統應注意下列問題：

運動控制模塊與正交編碼器輸出之間的接口電路;

接收器印刷電路板的設計;

正交編碼器信號電纜系統的應用。

運動控制模塊的接收電路

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。本糸統采用MAX3095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。

正交編碼器輸出6路RS-422/RS—485信號（A、 、B、B、INDEX和 ），通過電纜傳送至運動控制模塊的接收電路MAX3095。接收電路把RS-422信號轉換為邏輯電平信號，并把信號送至運動控制模塊或DSP或ASIC進行處理。接收電路必須對來自伺服系統的各種故障包括開路、短路、噪聲等做出反應，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。

圖3 運動控制模塊與正交編碼器輸出之間的接口電路

圖3是一個典型的運動控制模塊的編碼信號輸入接收器電路（即運動控制模塊與正交編碼器輸出之間的接口電路）。

從正交編碼器發出的信號通過雙絞線傳送到接收電路，每對互補信號線A、 或B、 之間跨與接一個150Ω電阻提供適當的端接。當發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的動作，首先必須檢測到這些故障。作為一種失效保護措施，當輸入信號線開路時，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。當有輸入端接電阻時，它們仍需保持失效保護輸出。這個電路具有ESD防護、開路檢測和輸出短路保護，但不能檢測輸人短路。

另一種改進的電路（圖4）包含了2片MAX3098，每片都包含三路RS—422/RS-485接收器。

圖4 圖3的改造電路

各接收器均具有內置的故障檢測、±15kV ESD（靜電釋放）保護和32Mbps的數據速率。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生故障都會立即在相應輸出發出邏輯高信號：ALARM A、ALARM B和ALARM Z。伺服系統移動緩慢時，會在正交編碼器信號的過零區域產生瞬時故障，觸發“假故障”。通過選擇電容C-延遲的值，可將ALARM D輸出（ALARM A、ALARM B和ALARM Z的邏輯或）延遲適當的時間。120Ω電阻為RS422電纜提供適當的端接。

關于反饋編碼器

由于為實現精確定位，伺服系統必須有一個反饋信號使反饋形成閉環。而能提供這種反饋信號的裝置包括光電編碼器、旋轉變壓器和正交磁致伸縮線性位移傳感器。

光電編碼器輸出一個數字方波信號，包括正交（增量）型、絕對值型和偽隨機型。一個典型的光電編碼器包括光發射器、光接收器、輸出原始模擬信號的編碼輪。模擬信號被送至編碼器的處理電路，轉換為數字信號輸出。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、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90o的相差。當A超前于B時，表明編碼器是順時針旋轉的，反之，編碼器為逆時針旋轉。因而由這兩個信號就可得到位置、方向和速度數據。信號Z表示電機轉子的位置和編碼器的軸是否轉過360o。它還能校驗信號A和B的誤算。采用 RS-422接口時， 編碼器提供互補的A、B和Z輸出。

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，只是它在每旋轉一周時輸出一個并行二進制字。一般是十二至十三位的BCD、格雷或自然二進制碼，13位輸出只用于低頻響應（1200轉/分輸出12位;600轉/分輸出13位），但每轉360o具有更精細的分辨率。這種類型的編碼器很適于監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。

新型的偽隨機光電編碼器輸出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據這種編碼器需要有1o到2o旋轉才能確定位置。

旋轉變壓器是具有正弦和余弦信號輸出的反饋編碼器，通過伺服系統控制器的處理，可以從中獲得速度和位置數據。當軸旋轉時，旋轉變壓器的反饋信號能夠提供絕對位置信息，但其低速性能較差。這種編碼器的主要缺點是將信號轉換為數字信號時，要對信號進行必要的處理，造價相對較高。

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線，產生一個電流脈沖信號，再由一個拾取傳感據檢測這個脈沖信號-模擬位置信號。最后由LDT對它進行處理，轉換為和正交編碼器相似的數字輸出信號A，B、和Z.

結語

直流無刷電機伺服系統是一個堅固的具有容錯能力的運動反饋控制系統。該系統的接收電路必須對產生的各種故障做出預知的反應，為了預防編碼器數據的噪聲問題，還要合理地設計接收器電路的印刷電路板。應用時也要考慮正交編碼器的信號電纜系統，包括接收器電路的端接。有了這些預防措施，就可以用設計出性能穩定、故障期間具有預知狀態的運動控制反饋系統。

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