基于計(jì)算機(jī)的運(yùn)動(dòng)控制解決方案在伺服系統(tǒng)中的應(yīng)用

關(guān)于運(yùn)動(dòng)控制及系統(tǒng)

運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)己經(jīng)聞世多年了在各個(gè)領(lǐng)域得到應(yīng)用。

而運(yùn)動(dòng)控制（包括軌跡控制、伺服控制）與順序控制、過(guò)程控制，傳動(dòng)控制并列為典型的控制模式，是一直以來(lái)扮演重要支柱技術(shù)角色的自動(dòng)控制系統(tǒng)，在許多高科技領(lǐng)域得到了非常廣泛的應(yīng)用，如激光加工，機(jī)器人，數(shù)控機(jī)床。大規(guī)模集成電路制造設(shè)備、雷達(dá)和各種軍用武器隨動(dòng)系統(tǒng)，以及柔性制造系統(tǒng)（FMS）等。而運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的組成主要由五部分構(gòu)成：被移動(dòng)的機(jī)械設(shè)備、帶反饋和運(yùn)動(dòng)I/O的馬達(dá)（伺服或步進(jìn)）、馬達(dá)驅(qū)動(dòng)單元、運(yùn)動(dòng)控制模塊、以及編程/操作接口軟件（見(jiàn)圖1）所示。其運(yùn)動(dòng)控制芯片或模塊是作為伺服與步進(jìn)控制用。

圖1 為運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)組成示意框圖

從圖1可見(jiàn)傳動(dòng)裝置將運(yùn)動(dòng)控制模塊與特定應(yīng)用馬達(dá)、編碼器、限制器、用戶（運(yùn)動(dòng)）I/O連接在一起，用一根控制電纜連接運(yùn)動(dòng)控制模塊與傳動(dòng)裝置，為全部的命令集與反饋信號(hào)提供一個(gè)通道。當(dāng)傳動(dòng)裝置的性能不能滿足應(yīng)用需要時(shí)，用戶還可選擇通用運(yùn)動(dòng)接口（UMI）螺絲接線端子附件，與第三方馬達(dá)和驅(qū)動(dòng)器/放大器連接。

因?yàn)橐话闶⑿械牡慕鉀Q方案均為封閉式結(jié)構(gòu)系統(tǒng)， 所以基于計(jì)算機(jī)的運(yùn)動(dòng)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(shù)、微電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)及控制原理的進(jìn)步，以交流伺服電動(dòng)機(jī)為執(zhí)行電動(dòng)機(jī)的交流伺服驅(qū)動(dòng)具有了可與直流伺服驅(qū)動(dòng)相比擬的特性，從而使得交流伺服電動(dòng)機(jī)固有的優(yōu)勢(shì)得到了充分的發(fā)揮，交流伺服驅(qū)動(dòng)已成為現(xiàn)代伺服驅(qū)動(dòng)發(fā)展的方向。交流伺服技術(shù)現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于數(shù)控機(jī)床，印刷包裝機(jī)械、紡織機(jī)械，自動(dòng)化生產(chǎn)線等自動(dòng)化領(lǐng)域。為用戶提高加工精度和工藝水平，取得良好的經(jīng)濟(jì)技術(shù)效益，提供了最佳的解決方案。

而當(dāng)今的應(yīng)用，最迫切需要可以在苛刻條件下，一天24小時(shí)連續(xù)工作的、可靠耐用的工業(yè)機(jī)器人和自動(dòng)機(jī)械裝置。這樣的系統(tǒng)要求遠(yuǎn)比以前具有精確的電機(jī)和反饋控制，今天的大多數(shù)性能改進(jìn)要?dú)w功于新技術(shù)和微電子技術(shù)的發(fā)展。這些創(chuàng)新消除了機(jī)器人和自動(dòng)機(jī)械裝置共用工作空間時(shí)產(chǎn)生的碰撞，改進(jìn)了任務(wù)分配并且提高了伺服系統(tǒng)的精確性，從而使自動(dòng)機(jī)械系統(tǒng)更加可靠地工作。由于運(yùn)動(dòng)控制芯片或模塊是能為一般伺服與步進(jìn)應(yīng)用提供精確、高性能的運(yùn)動(dòng)功能，故可以簡(jiǎn)單易用的運(yùn)動(dòng)控制模塊、軟件、以及外設(shè)為運(yùn)動(dòng)和測(cè)量集成需求提供最佳集成解決方案。本文著重討論運(yùn)動(dòng)控制模塊在直流無(wú)刷電機(jī)伺服系統(tǒng)中的應(yīng)用， 并對(duì)其主要運(yùn)動(dòng)控制模塊的接收電路與正交編碼器信號(hào)電纜技術(shù)作分析說(shuō)明。

運(yùn)動(dòng)控制模塊的應(yīng)用-直流無(wú)刷電機(jī)伺服系統(tǒng)

運(yùn)動(dòng)控制模塊要在直流無(wú)刷電機(jī)伺服系統(tǒng)中得到應(yīng)用，它必須組成閉環(huán)系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)。

該直流無(wú)刷電機(jī)伺服系統(tǒng)由運(yùn)動(dòng)控制模塊（卡）與伺服電機(jī)、驅(qū)動(dòng)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(duì)于速度和位置提供精確與穩(wěn)定的控制。圖2所示為運(yùn)動(dòng)控制模塊組成的直流無(wú)刷電機(jī)伺服系統(tǒng)方塊圖。

圖2 用運(yùn)動(dòng)控制模塊與反饋速度和位置信號(hào)的正交編碼器等組成的直流無(wú)刷伺服系統(tǒng)

從圖2看出，該運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)是含有一個(gè)直流無(wú)刷電機(jī)的伺服系統(tǒng)，而其運(yùn)動(dòng)控制模塊正交編碼器的接口電路，就是運(yùn)動(dòng)控制模塊的編碼輸入電路，即接收器電路，它接收通過(guò)反饋編碼器電纜傳送來(lái)的正交編碼器的輸出信號(hào)。

對(duì)高性能、高速的應(yīng)用系統(tǒng)而言，直流無(wú)刷電機(jī)是可用的，在此所述系統(tǒng)均是直流無(wú)刷電機(jī)伺服系統(tǒng)。這種電機(jī)的軸端裝有測(cè)定軸速和換向點(diǎn)的正交編碼器，用于控制電機(jī)的線圈切換順序。而第二個(gè)正交編碼器安裝在機(jī)械裝置的旋轉(zhuǎn)軸上，它輸出旋轉(zhuǎn)軸的位置數(shù)據(jù)信號(hào)，使由于傳動(dòng)裝置和導(dǎo)螺桿中的齒隙（兩個(gè)或多于齒輪間的間隙）所導(dǎo)致的誤差而引起旋轉(zhuǎn)軸的位置和電機(jī)軸的位置不一致問(wèn)題得到解決。

典型的運(yùn)動(dòng)控制模塊包含一個(gè)微處理器和一個(gè)用于處理高速編碼信號(hào)的DSP或定制ASIC。運(yùn)動(dòng)控制模塊為驅(qū)動(dòng)器或放大器提供一個(gè)控制轉(zhuǎn)動(dòng)速度和方向的信號(hào)，驅(qū)動(dòng)器把它轉(zhuǎn)換為適當(dāng)?shù)碾妷汉?a href="http://www.ttokpm.com/tags/電流/" target="_blank">電流去驅(qū)動(dòng)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)。這樣的運(yùn)動(dòng)控制模塊在直流無(wú)刷電機(jī)伺服系統(tǒng)中的應(yīng)用就能使糸統(tǒng)成為堅(jiān)固的、具有容錯(cuò)能力的運(yùn)動(dòng)控制反饋系統(tǒng)。該系統(tǒng)應(yīng)注意下列問(wèn)題：

?運(yùn)動(dòng)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(shè)計(jì);

。正交編碼器信號(hào)電纜系統(tǒng)的應(yīng)用。

運(yùn)動(dòng)控制模塊的接收電路

運(yùn)動(dòng)控制模塊的編碼輸入電路-接收器電路，實(shí)際上就是運(yùn)動(dòng)控制模塊與正交編碼器輸出之間的接口電路。本糸統(tǒng)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(hào)（A、 、B、B、INDEX和 ），通過(guò)電纜傳送至運(yùn)動(dòng)控制模塊的接收電路MAX3095。接收電路把RS-422信號(hào)轉(zhuǎn)換為邏輯電平信號(hào)，并把信號(hào)送至運(yùn)動(dòng)控制模塊或DSP或ASIC進(jìn)行處理。接收電路必須對(duì)來(lái)自伺服系統(tǒng)的各種故障包括開(kāi)路、短路、噪聲等做出反應(yīng)，即對(duì)來(lái)正交編碼器輸出中的開(kāi)路、短路、噪聲編碼信號(hào)做出反應(yīng)。

圖3 運(yùn)動(dòng)控制模塊與正交編碼器輸出之間的接口電路

圖3是一個(gè)典型的運(yùn)動(dòng)控制模塊的編碼信號(hào)輸入接收器電路（即運(yùn)動(dòng)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(fā)出的信號(hào)通過(guò)雙絞線傳送到接收電路，每對(duì)互補(bǔ)信號(hào)線A、 或B、 之間跨與接一個(gè)150Ω電阻提供適當(dāng)?shù)亩私?。?dāng)發(fā)生電纜斷裂或脫離等開(kāi)路故障時(shí)，要使運(yùn)動(dòng)控制模塊采取適當(dāng)?shù)膭?dòng)作，首先必須檢測(cè)到這些故障。作為一種失效保護(hù)措施，當(dāng)輸入信號(hào)線開(kāi)路時(shí)，MAX3095接收器會(huì)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(dāng)有輸入端接電阻時(shí)，它們?nèi)孕璞３质ПＷo(hù)輸出。這個(gè)電路具有ESD防護(hù)、開(kāi)路檢測(cè)和輸出短路保護(hù)，但不能檢測(cè)輸人短路。

另一種改進(jìn)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(nèi)置的故障檢測(cè)、±15kV ESD（靜電釋放）保護(hù)和32Mbps的數(shù)據(jù)速率。而MAX3098E能檢測(cè)接收器輸入開(kāi)路和短路故障，也能檢測(cè)低電壓差分信號(hào)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(fā)生了故障。這種直接的故障報(bào)告降低了軟件開(kāi)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(fā)生故障都會(huì)立即在相應(yīng)輸出發(fā)出邏輯高信號(hào)：ALARM A、ALARM B和ALARM Z。伺服系統(tǒng)移動(dòng)緩慢時(shí)，會(huì)在正交編碼器信號(hào)的過(guò)零區(qū)域產(chǎn)生瞬時(shí)故障，觸發(fā)“假故障”。通過(guò)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(dāng)?shù)臅r(shí)間。120Ω電阻為RS422電纜提供適當(dāng)?shù)亩私印?/p>

關(guān)于反饋編碼器

由于為實(shí)現(xiàn)精確定位，伺服系統(tǒng)必須有一個(gè)反饋信號(hào)使反饋形成閉環(huán)。而能提供這種反饋信號(hào)的裝置包括光電編碼器、旋轉(zhuǎn)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(gè)數(shù)字方波信號(hào)，包括正交（增量）型、絕對(duì)值型和偽隨機(jī)型。一個(gè)典型的光電編碼器包括光發(fā)射器、光接收器、輸出原始模擬信號(hào)的編碼輪。模擬信號(hào)被送至編碼器的處理電路，轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)輸出。信號(hào)輸出方式有集電極開(kāi)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(bǔ)、差分的RS-422。正交光電編碼器輸出的反饋信號(hào)有A、B、Z三種形式的脈沖。信號(hào)A和B來(lái)自編碼器碼輪并具有90o的相差。當(dāng)A超前于B時(shí)，表明編碼器是順時(shí)針旋轉(zhuǎn)的，反之，編碼器為逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)。因而由這兩個(gè)信號(hào)就可得到位置、方向和速度數(shù)據(jù)。信號(hào)Z表示電機(jī)轉(zhuǎn)子的位置和編碼器的軸是否轉(zhuǎn)過(guò)360o。它還能校驗(yàn)信號(hào)A和B的誤算。采用 RS-422接口時(shí)， 編碼器提供互補(bǔ)的A、B和Z輸出。

絕對(duì)光電編碼器采用的信號(hào)處理部件與正交光電編碼器相似，只是它在每旋轉(zhuǎn)一周時(shí)輸出一個(gè)并行二進(jìn)制字。一般是十二至十三位的BCD、格雷或自然二進(jìn)制碼，13位輸出只用于低頻響應(yīng)（1200轉(zhuǎn)/分輸出12位;600轉(zhuǎn)/分輸出13位），但每轉(zhuǎn)360o具有更精細(xì)的分辨率。這種類型的編碼器很適于監(jiān)測(cè)上電和掉電期間的軸的位置，因?yàn)楹驼痪幋a器不同的是，在編碼器沒(méi)有移動(dòng)時(shí)，軸的位置也可通過(guò)編碼輸出讀得。

新型的偽隨機(jī)光電編碼器輸出3個(gè)信號(hào)：A和B給出了方向和空間同步信號(hào)，另一個(gè)信號(hào)給出位置數(shù)據(jù)這種編碼器需要有1o到2o旋轉(zhuǎn)才能確定位置。

旋轉(zhuǎn)變壓器是具有正弦和余弦信號(hào)輸出的反饋編碼器，通過(guò)伺服系統(tǒng)控制器的處理，可以從中獲得速度和位置數(shù)據(jù)。當(dāng)軸旋轉(zhuǎn)時(shí)，旋轉(zhuǎn)變壓器的反饋信號(hào)能夠提供絕對(duì)位置信息，但其低速性能較差。這種編碼器的主要缺點(diǎn)是將信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)時(shí)，要對(duì)信號(hào)進(jìn)行必要的處理，造價(jià)相對(duì)較高。

正交型磁致伸縮線性位移傳感器（LDT）是用來(lái)測(cè)量直線移動(dòng)的反饋編碼器/傳感器，不適用于轉(zhuǎn)動(dòng)位置測(cè)量。它的工作原理是：LDT的線性位移桿帶動(dòng)磁鐵的移動(dòng)，磁鐵作用于磁致伸縮導(dǎo)線，產(chǎn)生一個(gè)電流脈沖信號(hào)，再由一個(gè)拾取傳感據(jù)檢測(cè)這個(gè)脈沖信號(hào)-模擬位置信號(hào)。最后由LDT對(duì)它進(jìn)行處理，轉(zhuǎn)換為和正交編碼器相似的數(shù)字輸出信號(hào)A，B、和Z.

結(jié)語(yǔ)

直流無(wú)刷電機(jī)伺服系統(tǒng)是一個(gè)堅(jiān)固的具有容錯(cuò)能力的運(yùn)動(dòng)反饋控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)的接收電路必須對(duì)產(chǎn)生的各種故障做出預(yù)知的反應(yīng)，為了預(yù)防編碼器數(shù)據(jù)的噪聲問(wèn)題，還要合理地設(shè)計(jì)接收器電路的印刷電路板。應(yīng)用時(shí)也要考慮正交編碼器的信號(hào)電纜系統(tǒng)，包括接收器電路的端接。有了這些預(yù)防措施，就可以用設(shè)計(jì)出性能穩(wěn)定、故障期間具有預(yù)知狀態(tài)的運(yùn)動(dòng)控制反饋系統(tǒng)。