各類電機位置編碼器及接口電磁兼容

電機位置編碼器廣泛用于伺服驅(qū)動器、機器人、機床、印刷機、紡織機和電梯等工業(yè)電機控制應用。用接口把這些編碼器連接到您系統(tǒng)的其它部分會帶來一些棘手的電磁兼容（EMC）問題。為幫您應對這些挑戰(zhàn)，筆者將以各類電機位置編碼器及其接口的概述作為本系列的開始，本系列的其余部分將深入探討如何為每種不同的電機位置編碼器類型設計符合EMC標準的工業(yè)接口。

所需的位置/角度分辨率可根據(jù)工業(yè)驅(qū)動器的應用而變化，從幾位到25位或超過25位。一些驅(qū)動器應用甚至需要角轉(zhuǎn)動度數(shù)。從變頻器到位置編碼器的安裝距離會有所不同，從很短的幾米（在多軸驅(qū)動器中）到100米或100米以上。由于那種長距離，電接口需經(jīng)過設計，以實現(xiàn)對電磁場、共模電壓、脈沖噪聲等具有高抗擾性的穩(wěn)健數(shù)據(jù)傳輸。

圖1展示了幾類適合工業(yè)應用的線性或角度位置反饋編碼器。

圖1：位置反饋編碼器及其對應接口

有兩種類型的位置編碼器：增量型位置編碼器和絕對型位置編碼器。增量型編碼器可提供關于增量位置或角度變化的信息。上電后它們不提供絕對位置，但仍然有可能在一次機械旋轉(zhuǎn)之后通過索引信號獲得。絕對型編碼器則可始終提供絕對機械位置。

增量型編碼器可顯示三種差分信號：A信號、B信號和Z信號。A信號和B信號可為增量位置變化編碼。位置分辨率取決于增量型編碼器的線數(shù)。典型的線數(shù)范圍是每轉(zhuǎn)50至10000線。Z信號通常每轉(zhuǎn)會出現(xiàn)一次，是用來推導出絕對位置的“原點索引（home index）”。

增量型編碼器接口是具有晶體管-晶體管邏輯（TTL）或高閾值邏輯（HTL）兼容的數(shù)字輸出電平的數(shù)字脈沖串或具有1Vpp或11μApp振幅的模擬正弦/余弦輸出。具有模擬輸出的編碼器通常被稱為正弦/余弦編碼器，這類編碼器允許的分辨率比具有TTL/HTL輸出的編碼器允許的分辨率高得多，因為您可通過使用具有所測正弦和余弦信號的反正切函數(shù)在一個線數(shù)內(nèi)插入其位置。這種插值能使分辨率增加16位之多，可能的總分辨率是25位或更多。所選編碼器的線數(shù)乘以旋轉(zhuǎn)速度得出的積與輸出信號的頻率成比例。

絕對型位置反饋編碼器可提供絕對位置（分辨率達25位或25位以上）。它們的電接口已從基于模擬與數(shù)字混合協(xié)議的串行接口演變成基于純數(shù)字協(xié)議的串行接口。串行通信的標準通常是供應商特定的，并能通過雙向數(shù)據(jù)傳輸來利用RS-485或RS-422差分信號。例如，EnDat 2.2不僅可傳輸絕對位置，而且還允許從該編碼器的內(nèi)存讀出數(shù)據(jù)或?qū)?shù)據(jù)寫入該編碼器的內(nèi)存。通過后續(xù)電子設備（通常被稱為EnDat2.2主站）發(fā)送到EnDat2.2編碼器的模式命令，您可選擇被傳輸數(shù)據(jù)的類型 —— 絕對位置、旋轉(zhuǎn)圈數(shù)、溫度、更多參數(shù)、診斷數(shù)據(jù)。

EnDat2.2、BiSS?和HIPERFACEDSL?等基于純數(shù)字串行協(xié)議的標準能補償傳播延遲并可在線纜長度達100米的范圍內(nèi)支持通信。純數(shù)字協(xié)議具有恒定的時鐘頻率，該頻率不會隨旋轉(zhuǎn)速度而變化。對于大多數(shù)協(xié)議，您可選擇時鐘頻率/波特率以適應外部因素（如線纜長度）。

具有模擬與數(shù)字混合型通信接口或純數(shù)字通信接口的編碼器通常擁有供應商特定的電源電壓范圍。表1是廣泛使用的編碼器標準的概覽。

表1：位置編碼器接口標準和電源電壓

當用接口把這些編碼器中的任何一個連接到用于閉環(huán)控制的變頻器時，該位置接口模塊均包含以下功能塊，如圖2所示：

• 物理模擬或數(shù)字接口。

• 符合IEC 61800-3標準的電磁兼容（EMC）。

• 電源。

• 位置解碼和/或數(shù)字協(xié)議主站的信號處理。

圖2：工業(yè)驅(qū)動器/變頻器上位置反饋接口模塊的簡化方框圖

具有RS-485或RS-422接口的增量型數(shù)字HTL/TTL編碼器和絕對型數(shù)字編碼器需要較少的硬件接口工作，而模擬正弦/余弦編碼器則需要具有雙路模數(shù)轉(zhuǎn)換器的模擬信號鏈。您需要設計物理接口，以滿足EMC抗擾性要求，如對靜電放電（ESD）、電快速瞬變（EFT）突發(fā)和浪涌的抗擾性要求 —— IEC61800-3規(guī)定的相關標準如下：

• ESD：電壓為±4kV（直接接觸放電時）或±8kV（空氣放電時）。

• EFT：電壓為±2kV，頻率為5kHz，通過電容耦合鉗。

• 浪涌：電壓為±1kV，源阻抗為2Ω，通過線纜屏蔽層進行耦合。

TTL/HTL編碼器需要最少的信號處理工作，只需一個方向正交脈沖計數(shù)器。增量型正弦/余弦編碼器也需要該正交計數(shù)器；此外，還需要進行信號處理，以便為插值計算反正切。基于數(shù)字串行接口協(xié)議的標準需要較多的信號處理工作，并且通常在現(xiàn)場可編程門陣列（FPGA）上實施，最近則更多地在創(chuàng)新型處理器（如Sitara? AM437x，它能利用可編程實時單元子系統(tǒng)和工業(yè)通信子系統(tǒng) (PRU-ICSS) 外設）上實施。