將 RS-485 用于數(shù)字發(fā)動機(jī)控制應(yīng)用

I. 簡介

數(shù)字發(fā)動機(jī)控制采用數(shù)字處理器來控制電動機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)。一般情況下數(shù)字處理器可采用一種或多種反饋方式，使其構(gòu)成一個閉環(huán)系統(tǒng)。這可比作模擬控制系統(tǒng)和開環(huán)傳動系統(tǒng)。

許多應(yīng)用都采用了數(shù)字發(fā)動機(jī)控制，包括存儲設(shè)備（如：磁盤驅(qū)動器）、工業(yè)機(jī)器人、高精度半導(dǎo)體制造、打印機(jī)以及復(fù)印機(jī)等。

圖1 ：數(shù)字發(fā)動機(jī)控制框圖

a. 發(fā)動機(jī)設(shè)備

數(shù)字發(fā)動機(jī)控制可采用多種類型的發(fā)動機(jī)。最常用的類型是超小功率旋轉(zhuǎn)發(fā)動機(jī)。它們可以進(jìn)一步分為AC、DC電刷或DC無電刷型，這主要取決于其整流方式。小型發(fā)動機(jī)的尺寸設(shè)計(jì)一般取決于框架尺寸和瓦功率。而一般像 AC 型這樣較大的發(fā)動機(jī)，是根據(jù)其馬力功率進(jìn)行分類的。盡管旋轉(zhuǎn)發(fā)動機(jī)是最常用的類型，但也可獲得其他類型，如：線性發(fā)動機(jī)以及帶各種傳動裝置的減速發(fā)動機(jī)（gearhead motor）。

b. 反饋

為提供有關(guān)位置、速度、扭矩或傳動系統(tǒng)其他動力屬性的反饋，需要具備反饋傳感器。最常用的反饋傳感器可能是旋轉(zhuǎn)編碼器，它是由安裝在發(fā)動機(jī)軸上、帶有變化條帶的轉(zhuǎn)輪構(gòu)成的。在發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)動時，光傳感器會檢測條帶的經(jīng)過并生成電信號，控制器可利用這些信號來確定發(fā)動機(jī)的轉(zhuǎn)動情況。其他類型的傳感器為轉(zhuǎn)速計(jì)、同步器和分解器，這些均是基于電感的傳感器；另外還有基于電磁的霍爾效應(yīng)傳感器以及基于電阻的電位計(jì)。

無論采用哪種傳感器方式，數(shù)字控制器必須重復(fù)采樣傳感器信號，以便不斷了解系統(tǒng)的當(dāng)前動力運(yùn)轉(zhuǎn)情況。根據(jù)系統(tǒng)對速度、動力響應(yīng)及精度的要求，反饋采樣率可超過每秒幾千次采樣。

c. 控制器

無論是數(shù)字控制器還是模擬控制器，都需要與系統(tǒng)的預(yù)定轉(zhuǎn)動和實(shí)際動力進(jìn)行比較，同時處理相關(guān)輸入，來產(chǎn)生對傳動裝置的控制信號。如果采用數(shù)字控制器，會需要一些附加任務(wù)，包括系統(tǒng)啟動例程、診斷程序、通信控制以及多個采樣傳感器。

數(shù)字控制器可能像專用計(jì)算機(jī)處理器般復(fù)雜，也可能如單芯片編程門陣列般簡單。設(shè)計(jì)人員不僅可設(shè)計(jì)出具有為傳動控制而優(yōu)化的功能的數(shù)字信號處理器，還可設(shè)計(jì)出具有可變功能的微控制器，以便實(shí)現(xiàn)適應(yīng)眾多應(yīng)用的最佳解決方案。請參見 www.ti.com 上的"數(shù)字控制"部分。

d. 數(shù)據(jù)傳輸

本節(jié)將重點(diǎn)討論在發(fā)動機(jī)控制和傳動控制應(yīng)用中采用 RS-485 的優(yōu)勢。如下所述，該技術(shù)在與抗擾性、廣泛的共模范圍、充足的數(shù)據(jù)速率以及多點(diǎn)功能有關(guān)的這些應(yīng)用中具有眾多優(yōu)勢。其他應(yīng)用也采用 RS-485 信令，以期利用這些相同優(yōu)勢。因此，諸如過程控制網(wǎng)絡(luò)、工業(yè)自動化、遠(yuǎn)程終端、建筑自動化和安全系統(tǒng)等應(yīng)用均廣泛采用了RS-485，以便滿足對強(qiáng)大可靠的遠(yuǎn)距離數(shù)據(jù)傳輸?shù)男枰Ｍǔ?RS-485 信令與 Profibus、Interbus、Modbus 或 BACnet 一起使用，這些協(xié)議都是針對最終用戶的特殊需求而量身定做的。

如果 R-485 的優(yōu)勢不足以滿足需求，還可以采用其他信令技術(shù)。例如，RS-232 或 RS-422 信令技術(shù)在某些應(yīng)用中可能是非常適用的，而在另外一些應(yīng)用中可能會首選CAN（控制器局域網(wǎng)）或 EtherNet/IP（行業(yè)協(xié)議），因?yàn)樗鼈兛膳c現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行兼容。對于高速應(yīng)用以及對長途及共模電壓要求不高的情況，M-LVDS可提供較低的功耗。在 www.ti.com 上的應(yīng)用手冊"總線方案對比"中討論了多種替代方法。

e. 基本拓?fù)?/B>

在所示的傳動控制應(yīng)用示例中，需要特別注意多個不同接口的數(shù)據(jù)傳輸問題。下表說明了信號的多種分類并總結(jié)了信令速度和信號電平的關(guān)鍵特性。

該表顯示了任何數(shù)據(jù)傳輸方案都必須具有廣泛的操作范圍，以便適應(yīng)各種數(shù)字傳動控制需要。RS-485信令技術(shù)由于速率范圍介于 DC～10MHz 以上，并且具有強(qiáng)大可靠的信號電平，因此可很好地滿足大多要求。圖3顯示了這些信號。請注意：該圖顯示了單軸系統(tǒng)；多軸系統(tǒng)可共享相同的控制器并把相關(guān)機(jī)構(gòu)（mechanics）連接到相同的工具或負(fù)載上。

圖3：發(fā)動機(jī)控制系統(tǒng)中的接口（單軸）

根據(jù)特定應(yīng)用的物理安排，控制器、伺服放大器、發(fā)動機(jī)和負(fù)載之間可能會有比較大的距離。除了距離之外，在設(shè)計(jì)這些系統(tǒng)時還應(yīng)該考慮其他因素，如：電氣噪聲、溫度和線纜故障等。盡管存在距離或環(huán)境條件干擾，但有效數(shù)據(jù)傳輸?shù)哪康娜允窃谶@些部件之間提供可靠通信。

II. 數(shù)據(jù)傳輸問題與485的應(yīng)對方法

數(shù)字傳動控制應(yīng)用對在實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)部件之間有效、可靠的通信方面面臨眾多挑戰(zhàn)。根據(jù)其內(nèi)在性質(zhì)，這會涉及到機(jī)電傳動裝置，而這種裝置會產(chǎn)生電氣噪聲及較高的電流電平。安全性和可靠性進(jìn)一步要求通信通道必須非?？煽?，以便控制運(yùn)動機(jī)構(gòu)。另外與運(yùn)動應(yīng)用相伴而來的還有對線纜路由的限制，這需要更長的布線。伺服系統(tǒng)的穩(wěn)定性對信令速率也有額外要求。

a. 環(huán)境

i. EMI/抗擾性

電磁干擾（EMI）會破壞發(fā)動機(jī)控制系統(tǒng)中的信號。典型的EMI源是發(fā)動機(jī)驅(qū)動電壓、發(fā)動機(jī)電刷噪聲、工具源、以及來自時鐘、顯示器和其他計(jì)算機(jī)組件的電氣噪聲。在模擬系統(tǒng)中，噪聲信號可能會造成有害的運(yùn)動或不穩(wěn)定性。由于二進(jìn)制編碼的內(nèi)在信噪比，數(shù)字系統(tǒng)的主要問題是寄生脈沖，這可能會被解釋成指令或反饋信號。

RS-485 信令標(biāo)準(zhǔn)包含了非常適于解決這些 EMI 問題的功能。RS-485 信令具有平衡及差分的特點(diǎn)，一般通過雙絞線進(jìn)行傳輸。它會導(dǎo)致任何電氣噪聲都會被等同連接到兩條線路上。因此，由于接收器對差分電壓很敏感，這種噪聲會被消除，而電壓差會繼續(xù)攜帶該信號信息。

RS-485 信號電平進(jìn)行了定義，因此對于任何有源驅(qū)動器，一條線路為高電平驅(qū)動，另一條為低電平驅(qū)動。兩條線路上的電壓差必須高于 1.5V 或者低于 -1.5V，以便傳輸有效狀態(tài)。這適用于所有有效負(fù)載條件。

接收器規(guī)格對于EMI噪聲消除極其重要。485標(biāo)準(zhǔn)要求在接收差分信號強(qiáng)度達(dá)到200mV以上時對有效狀態(tài)進(jìn)行檢測。這種靈敏度可以彌補(bǔ)線纜中的損耗，而這種損耗會在驅(qū)動器端將信號幅度降至1.5V以下（或更低）。

接收器磁滯雖然在485標(biāo)準(zhǔn)中未予以規(guī)定，但也非常重要，它是低電平到高電平以及高電平到低電平傳輸閾值之間的差分。

圖4：具有及沒有磁滯的接收器功能

因?yàn)椴淮嬖谕昝榔胶獾木€對，因此 EMI 源會產(chǎn)生以下差分噪聲。如果沒有接收器磁滯，無論是由于有效信號改變還是噪聲響應(yīng)，接收器均會在每次輸入交叉（0差分電壓）時改變狀態(tài)。因此，需要磁滯來避免寄生脈沖，在空閑總線或過渡期間更是如此。這些寄生脈沖會被解釋成編碼器計(jì)數(shù)、階躍指令（step command）或傳動裝置信號，其取決于它們在系統(tǒng)中出現(xiàn)的位置。接收器磁滯值越高就越能抵抗EMI噪聲。一般RS-485接收器的磁滯為40～60mV，而磁滯達(dá)到100mV的接收器可應(yīng)對尤為惡劣的電氣噪聲環(huán)境，如：數(shù)字發(fā)動機(jī)控制。

圖5：磁滯可消除寄生過渡

ii. 接地電勢／共模

另一個可影響傳動控制應(yīng)用中通信的電氣挑戰(zhàn)是驅(qū)動器與接收器節(jié)點(diǎn)之間的接地參考參考。電流負(fù)載（如：高功率工具可能產(chǎn)生的電流負(fù)載）會造成這類問題。由于發(fā)動機(jī)反向 EMI、設(shè)備故障以及附近閃電產(chǎn)生的二次浪涌（secondary surge），會出現(xiàn)局部電壓浪涌。

通過示例可說明在傳動控制應(yīng)用中如何會出現(xiàn)接地偏移。設(shè)想一個典型的發(fā)動機(jī)與放大器／控制器，它們采用一定長度的線纜相互連接來進(jìn)行通信并提供電源。

如果節(jié)點(diǎn)1與2之間的 24V 電源采用50米 14 AWG 線纜連接的話，則RCOPPER 大約為 0.5Ohm。在正常操作中，發(fā)動機(jī)電流低于 2A。但是在失速故障（stall fault）情況下，電流可能激增到 10A。由于接地線上的壓降，這會導(dǎo)致 GND1 與 GND2 之間 5V 的壓差。因此，任何引用 GND1 的信號在節(jié)點(diǎn)2被接收到時都會出現(xiàn) -5V 的偏移。由于所有信號都會受到普通偏移的影響，因此其稱為共模電壓偏移。

盡管這種情況會阻止與單端數(shù)據(jù)傳輸之間的可靠通信，但 5V 接地偏移仍處于標(biāo)準(zhǔn) RS-485 共模電壓 (VCM) 范圍之內(nèi)。由于節(jié)點(diǎn)1的差分信號進(jìn)行了同等偏移，因此差模信號仍然有效，而 RS-485 接收器也將可靠地接收正確的信號。

圖6：帶有接地電勢偏移的系統(tǒng)

TI 的所有RS-485收發(fā)器均可滿足或超出可在介于-7～12V共模電壓范圍內(nèi)操作的 TIA/EIA-485標(biāo)準(zhǔn)要求。對于更寬VCM范圍的操作，諸如 SN65HCD22 的新產(chǎn)品將在-20V～25V的共模范圍內(nèi)操作。

iii. ESD

靜電放電 (ESD) 對于通過線纜連接的所有電路都是非常危險(xiǎn)的，其可能導(dǎo)致產(chǎn)生處理或外部高電壓。諸如 JEDEC 人體模型 (HBM) 與IEC ESD 抗擾性測試 (IEC 61000-4-2) 等各種測試方法可用于模擬差分ESD危險(xiǎn)。某些收發(fā)器具有集成到總線電路中的 ESD 保護(hù)功能。

典型的保護(hù)電平為 8kV～15kV，而諸如 SN65LBC184 的某些收發(fā)器可提供超過30kV的事件保護(hù)。任何特定應(yīng)用所需的保護(hù)電平很難進(jìn)行預(yù)測，但設(shè)計(jì)人員應(yīng)考慮以下因素：

• 收發(fā)器所處的電氣環(huán)境
• 處理?xiàng)l件與線纜接入頻率
• 確定故障點(diǎn)的診斷程序
• 替換停機(jī)時間以及相關(guān)的人力費(fèi)用

另一類電氣危險(xiǎn)是由于瞬態(tài)（浪涌）過壓造成的損害。由擊穿次級電源變壓器的閃電或者由機(jī)器故障導(dǎo)致的局部電源故障會造成這類事件。IEC61000-4-5 中規(guī)定了這種危險(xiǎn)類型的測試方法。一般通過添加外部保護(hù)二極管來提供這種能量消散的安全通道。帶有集成瞬態(tài)電壓抑制電路的 SN65LBC184 能夠保護(hù)浪涌電壓電源超過 400W 的總線輸入。

iv. 一般強(qiáng)度

其他考慮因素與發(fā)動機(jī)控制應(yīng)用的苛刻環(huán)境有關(guān)。對于高功率及工業(yè)應(yīng)用來說，需要具備溫度范圍較大的性能。TI 提供了專門用于商業(yè)、工業(yè)、汽車和軍事溫度范圍的 RS-485 收發(fā)器。

另一個問題是收發(fā)器的電源及電源容限。TI 認(rèn)識到高電流發(fā)動機(jī)應(yīng)用可能會在電源中產(chǎn)生壓降，因此，TI 提供了一套精選的收發(fā)器，它們能夠滿足電源中5％或10％變化的完整性能規(guī)格。在大多情況下，即使在更大的電源變化范圍內(nèi)，RS-485 收發(fā)器也能運(yùn)行，但是它可能無法滿足所有參數(shù)規(guī)格。收發(fā)器選項(xiàng)包括 5V 與 3.3V 電源的產(chǎn)品。

b. 速度

i. 反饋環(huán)路延遲

工程師在設(shè)計(jì)數(shù)字發(fā)動機(jī)控制的通信時應(yīng)考慮通信部件是否會明顯增加伺服環(huán)路的延遲。一般來說，與RS-485數(shù)據(jù)傳輸相關(guān)的傳播延遲在典型系統(tǒng)中可以忽略。通信延遲可分為：

• 收發(fā)器與介質(zhì)的傳播延遲
• 信令速率（同步）延遲
• 由編碼增加的開銷

ii. 傳播延遲（線纜傳輸延遲，收發(fā)器延遲……）

收發(fā)器與介質(zhì)的傳播延遲主要是通過半導(dǎo)體器件及銅線傳輸電信號的物理過程造成的。收發(fā)器的典型傳播延遲為10到100毫微秒量級。諸如 RS-485 的雙絞線等線纜的傳播延遲一般為每米5毫微秒。

相比而言，可想象一下具有 10 kHz 伺服帶寬的高性能系統(tǒng)。因此，即使是速度非常快的系統(tǒng)，1微秒（1000毫微米）的收發(fā)器延遲也只是對應(yīng)不到4度的相移。對于長度不到100米的線纜，由線纜延遲造成的附加相移也可以忽略不計(jì)。

iii. 信令速率

如果數(shù)據(jù)傳輸達(dá)到一旦數(shù)據(jù)可用就能夠收發(fā)時，那么信令速率一般只受數(shù)據(jù)源的限制，而不受數(shù)據(jù)傳輸鏈的限制。例如，一旦檢測到運(yùn)動就異步發(fā)送脈沖的編碼器。旋轉(zhuǎn)編碼器可以產(chǎn)生每轉(zhuǎn)8192個、甚至32000個計(jì)數(shù)，其速率超過每秒一百萬個計(jì)數(shù)。如果直接與收發(fā)器相連，不到1微秒就可將這些脈沖發(fā)送出去，而其對系統(tǒng)造成的延遲一般可以忽略。但是，如果控制器同步對收發(fā)器定時，則信令速率將會大大降低，同時會限制系統(tǒng)的性能。典型的同步信令速率為 9600bps、19200bps、115kbps 等。系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員應(yīng)該考慮這種信令速率對數(shù)據(jù)傳輸時間以及系統(tǒng)性能的影響。

iv. 串行通信更大的有效負(fù)載

除了傳播延遲和同步信令延遲之外，與數(shù)據(jù)協(xié)議相關(guān)的編碼格式也會造成延遲。出于多種原因，在數(shù)據(jù)傳輸方案中可能結(jié)合了編碼。其中一個原因是提供錯誤檢測方式。典型的示例是常用于驗(yàn)證每組8個數(shù)據(jù)位保真度的奇偶校驗(yàn)位。另一個示例是用于指示消息開始與結(jié)束的起始位與停止位。如果數(shù)據(jù)源具備足夠復(fù)雜性來支持這些單元，諸如指令／狀態(tài)代碼等說明位也可以構(gòu)成消息協(xié)議的一部分。

這些增加的位可為傳輸方案提供附加功能，但還需要傳輸及解碼時間。因此，系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員在設(shè)置系統(tǒng)速度要求及信令速率時必須要保證為這些"開銷"位提供裕度。例如，假設(shè)一個應(yīng)用帶有通過三個8位字方式提供絕對位置數(shù)據(jù)的編碼器。憑借 9600bps 的信令速率，反饋速度可達(dá)到每秒400個位置。但是，如果消息協(xié)議需要每條信息8個附加位（用于確定最高位字、起始位、停止位、奇偶校驗(yàn)位等），則有效更新速率會降低至每秒200次位置更新。

c. 多點(diǎn)拓?fù)?/B>

另一個應(yīng)考慮問題的是是否有兩個以上的節(jié)點(diǎn)在同一總線上進(jìn)行通信。如果一個節(jié)點(diǎn)向多個接收器發(fā)送數(shù)據(jù)，則這稱為多點(diǎn)配置。如果多個節(jié)點(diǎn)中的任何一個都可以控制總線并向其他節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)，則這稱為多點(diǎn)結(jié)構(gòu)。當(dāng)然，隨著系統(tǒng)復(fù)雜性的增加，信令協(xié)議必須包含可確定哪個節(jié)點(diǎn)何時發(fā)送數(shù)據(jù)的程序。這可以避免總線爭用，此時兩個收發(fā)器會彼此爭著設(shè)置總線電壓。為安全起見，RS-485標(biāo)準(zhǔn)還要求每個收發(fā)器包含防止總線爭用造成損害的保護(hù)功能。這就是說，如果兩個驅(qū)動器出現(xiàn)相反的有源狀態(tài)時，則兩者均不會因?yàn)闋幱霉蚕砜偩€上的電壓電平而遭受損害。

利用 RS-485 信令技術(shù)，在多點(diǎn)分配中可將32個節(jié)點(diǎn)（或者如果采用更低單元負(fù)載的收發(fā)器，可達(dá)到256個節(jié)點(diǎn)）連接到相同的雙絞線線纜上。這可簡化多軸、多傳感器系統(tǒng)中的布線。

所選的信令速率應(yīng)足夠高，以便允許所有節(jié)點(diǎn)都能夠滿足各自的更新要求。TIA/EIA-485 標(biāo)準(zhǔn)建議信令速率為 10Mbps。雖然這種速率已經(jīng)完全滿足大多系統(tǒng)的需要，但某些收發(fā)器為滿足最苛刻高速系統(tǒng)的需求，具有可提供超過 30Mbps 信令速率的能力。

多個標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議均采用了基于 RS-485 的信令技術(shù)。這些協(xié)議可實(shí)施各種方法來設(shè)置消息格式，檢查錯誤，進(jìn)行多點(diǎn)總線控制及協(xié)商信令速率。發(fā)動機(jī)與傳動控制常用的協(xié)議包括Modbus、Profibus 及 Interbus-S。每種協(xié)議均由不同廠商及商業(yè)機(jī)構(gòu)所支持，并且專門針對不同網(wǎng)絡(luò)條件而進(jìn)行優(yōu)化。

III. 應(yīng)用示例

a. 到高性能伺服驅(qū)動器的階躍與方向指令

由于時間限制刪除了這部分內(nèi)容

b. 來自高分辨率增量式編碼器的編碼器反饋信號

在圖7的應(yīng)用示例中，RS-485信令技術(shù)用于向傳動控制器報(bào)告編碼器信息。將傳動控制器放置到離編碼器一定距離的地方非常必要，這主要是因?yàn)榭臻g的限制或者出于輕松接入控制器的需要。

在此示例中有4個點(diǎn)對點(diǎn)配置信號，因此需要一個四通道驅(qū)動器與一個四通道接收器。在總線的接收端需要一個終端電阻，以匹配線纜阻抗并從而消除信號反射。最佳驅(qū)動器和接收器芯片的選擇將取決于多個因素：

• 編碼器到控制器的距離
• 發(fā)動機(jī)的最大轉(zhuǎn)速
• 內(nèi)插因子，可決定編碼器分辨率
• ESD 保護(hù)、功耗及成本等要求

圖7：典型應(yīng)用，編碼器反饋信號

IV. 結(jié)論

RS-485 信令提供了可應(yīng)對眾多數(shù)字發(fā)動機(jī)控制通信挑戰(zhàn)的解決方案。

• 它克服了具有高驅(qū)動器輸出電壓及高接收器磁滯的電氣噪聲。
• 對于遠(yuǎn)距離情況，強(qiáng)大的差分驅(qū)動器與廣泛的共模功能可確?？煽康男盘柊l(fā)送。
• 作為集成功能提供 ESD 保護(hù)與抗浪涌性；它們可提高在苛刻環(huán)境中的可靠性。
• RS-485 信令可提供足夠快的速度，這樣即使在具有差錯檢查及協(xié)議開銷負(fù)載的情況下，對伺服性能的影響也會微乎其微。
• 在多點(diǎn)架構(gòu)中運(yùn)行的功能可使RS-485成為高級聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的靈活、可擴(kuò)展方案。

總之，適當(dāng)?shù)男帕钏俾?、?qiáng)大可靠的功能以及廣泛的精選收發(fā)器使這種技術(shù)能夠非常好地適應(yīng)大多數(shù)數(shù)字傳動控制應(yīng)用。

Clark Kinnaird是一名系統(tǒng)工程師，目前就職于達(dá)拉斯德州儀器高性能模擬部門。他負(fù)責(zé)設(shè)計(jì)新型數(shù)據(jù)傳輸產(chǎn)品，其中包括RS-485和CAN收發(fā)器。此外，他還為設(shè)計(jì)人員提供系統(tǒng)分析、電氣設(shè)計(jì)和詳細(xì)實(shí)驗(yàn)室測試支持。Clark Kinnaird還在南衛(wèi)理工會大學(xué) (SMUP) 教授電氣工程課程。

Clark Kinnaird于1999年獲得SMU的電氣工程博士學(xué)位。另外，他還擁有電氣工程碩士學(xué)位和核工程學(xué)士學(xué)位。Kinnaird博士在多個領(lǐng)域已經(jīng)獲得和正在申請多項(xiàng)專利，并當(dāng)選為Eta Kappa Nu和Phi Kappa Phi協(xié)會榮譽(yù)會員。Clark Kinnaird也是IEEE會員，并且是德克薩斯州注冊職業(yè)工程師。

參考書目：

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