將 RS-485 用于數(shù)字發(fā)動機控制應用

I. 簡介

數(shù)字發(fā)動機控制采用數(shù)字處理器來控制電動機的運轉(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)。

許多應用都采用了數(shù)字發(fā)動機控制，包括存儲設備（如：磁盤驅(qū)動器）、工業(yè)機器人、高精度半導體制造、打印機以及復印機等。

圖1 ：數(shù)字發(fā)動機控制框圖

a. 發(fā)動機設備

數(shù)字發(fā)動機控制可采用多種類型的發(fā)動機。最常用的類型是超小功率旋轉(zhuǎn)發(fā)動機。它們可以進一步分為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)動機的尺寸設計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，是根據(jù)其馬力功率進行分類的。盡管旋轉(zhuǎn)發(fā)動機是最常用的類型，但也可獲得其他類型，如：線性發(fā)動機以及帶各種傳動裝置的減速發(fā)動機（gearhead motor）。

圖 2：旋轉(zhuǎn)發(fā)動機

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)動機軸上、帶有變化條帶的轉(zhuǎn)輪構(gòu)成的。在發(fā)動機轉(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)動機的轉(zhuǎn)動情況。其他類型的傳感器為轉(zhuǎn)速計、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傳感器以及基于電阻的電位計。

無論采用哪種傳感器方式，數(shù)字控制器必須重復采樣傳感器信號，以便不斷了解系統(tǒng)的當前動力運轉(zhuǎn)情況。根據(jù)系統(tǒng)對速度、動力響應及精度的要求，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)的預定轉(zhuǎn)動和實際動力進行比較，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，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算機處理器般復雜，也可能如單芯片編程門陣列般簡單。設計人員不僅可設計出具有為傳動控制而優(yōu)化的功能的數(shù)字信號處理器，還可設計出具有可變功能的微控制器，以便實現(xiàn)適應眾多應用的最佳解決方案。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)將重點討論在發(fā)動機控制和傳動控制應用中采用 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)速率以及多點功能有關(guān)的這些應用中具有眾多優(yōu)勢。其他應用也采用 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、工業(yè)自動化、遠程終端、建筑自動化和安全系統(tǒng)等應用均廣泛采用了RS-485，以便滿足對強大可靠的遠距離數(shù)據(jù)傳輸?shù)男枰?。通?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)在某些應用中可能是非常適用的，而在另外一些應用中可能會首選CAN（控制器局域網(wǎng)）或 EtherNet/IP（行業(yè)協(xié)議），因為它們可與現(xiàn)有網(wǎng)絡進行兼容。對于高速應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 上的應用手冊"總線方案對比"中討論了多種替代方法。

e. 基本拓撲

在所示的傳動控制應用示例中，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)機構(gòu)（mechanics）連接到相同的工具或負載上。

圖3：發(fā)動機控制系統(tǒng)中的接口（單軸）

根據(jù)特定應用的物理安排，控制器、伺服放大器、發(fā)動機和負載之間可能會有比較大的距離。除了距離之外，在設計這些系統(tǒng)時還應該考慮其他因素，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的應對方法

數(shù)字傳動控制應用對在實現(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。安全性和可靠性進一步要求通信通道必須非?？煽?，以便控制運動機構(gòu)。另外與運動應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)動機控制系統(tǒng)中的信號。典型的EMI源是發(fā)動機驅(qū)動電壓、發(fā)動機電刷噪聲、工具源、以及來自時鐘、顯示器和其他計算機組件的電氣噪聲。在模擬系統(tǒng)中，噪聲信號可能會造成有害的運動或不穩(wěn)定性。由于二進制編碼的內(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 信令標準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，一般通過雙絞線進行傳輸。它會導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載條件。

接收器規(guī)格對于EMI噪聲消除極其重要。485標準要求在接收差分信號強度達到200mV以上時對有效狀態(tài)進行檢測。這種靈敏度可以彌補線纜中的損耗，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標準中未予以規(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

因為不存在完美平衡的線對，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，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，而磁滯達到100mV的接收器可應對尤為惡劣的電氣噪聲環(huán)境，如：數(shù)字發(fā)動機控制。

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用中通信的電氣挑戰(zhàn)是驅(qū)動器與接收器節(jié)點之間的接地參考參考。電流負載（如：高功率工具可能產(chǎn)生的電流負載）會造成這類問題。由于發(fā)動機反向 EMI、設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用中如何會出現(xiàn)接地偏移。設想一個典型的發(fā)動機與放大器／控制器，它們采用一定長度的線纜相互連接來進行通信并提供電源。

如果節(jié)點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，這會導致 GND1 與 GND2 之間 5V 的壓差。因此，任何引用 GND1 的信號在節(jié)點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 接地偏移仍處于標準 RS-485 共模電壓 (VCM) 范圍之內(nèi)。由于節(jié)點1的差分信號進行了同等偏移，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標準要求。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的，其可能導致產(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。某些收發(fā)器具有集成到總線電路中的 ESD 保護功能。

典型的保護電平為 8kV～15kV，而諸如 SN65LBC184 的某些收發(fā)器可提供超過30kV的事件保護。任何特定應用所需的保護電平很難進行預測，但設計人員應考慮以下因素：

• 收發(fā)器所處的電氣環(huán)境
• 處理條件與線纜接入頻率
• 確定故障點的診斷程序
• 替換停機時間以及相關(guān)的人力費用

另一類電氣危險是由于瞬態(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器故障導致的局部電源故障會造成這類事件。IEC61000-4-5 中規(guī)定了這種危險類型的測試方法。一般通過添加外部保護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 能夠保護浪涌電壓電源超過 400W 的總線輸入。

iv. 一般強度

其他考慮因素與發(fā)動機控制應用的苛刻環(huán)境有關(guān)。對于高功率及工業(yè)應用來說，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 認識到高電流發(fā)動機應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)器也能運行，但是它可能無法滿足所有參數(shù)規(guī)格。收發(fā)器選項包括 5V 與 3.3V 電源的產(chǎn)品。

b. 速度

i. 反饋環(huán)路延遲

工程師在設計數(shù)字發(fā)動機控制的通信時應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?？斓南到y(tǒng)，1微秒（1000毫微米）的收發(fā)器延遲也只是對應不到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。

iii. 信令速率

如果數(shù)據(jù)傳輸達到一旦數(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個計數(shù)，其速率超過每秒一百萬個計數(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)設計人員應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證每組8個數(shù)據(jù)位保真度的奇偶校驗位。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)設計人員在設置系統(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，假設一個應用帶有通過三個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、奇偶校驗位等），則有效更新速率會降低至每秒200次位置更新。

c. 多點拓撲

另一個應考慮問題的是是否有兩個以上的節(jié)點在同一總線上進行通信。如果一個節(jié)點向多個接收器發(fā)送數(shù)據(jù)，則這稱為多點配置。如果多個節(jié)點中的任何一個都可以控制總線并向其他節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)，則這稱為多點結(jié)構(gòu)。當然，隨著系統(tǒng)復雜性的增加，信令協(xié)議必須包含可確定哪個節(jié)點何時發(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)器會彼此爭著設置總線電壓。為安全起見，RS-485標準還要求每個收發(fā)器包含防止總線爭用造成損害的保護功能。這就是說，如果兩個驅(qū)動器出現(xiàn)相反的有源狀態(tài)時，則兩者均不會因為爭用共享總線上的電壓電平而遭受損害。

利用 RS-485 信令技術(shù)，在多點分配中可將32個節(jié)點（或者如果采用更低單元負載的收發(fā)器，可達到256個節(jié)點）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。

所選的信令速率應足夠高，以便允許所有節(jié)點都能夠滿足各自的更新要求。TIA/EIA-485 標準建議信令速率為 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。

多個標準協(xié)議均采用了基于 RS-485 的信令技術(shù)。這些協(xié)議可實施各種方法來設置消息格式，檢查錯誤，進行多點總線控制及協(xié)商信令速率。發(fā)動機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)機構(gòu)所支持，并且專門針對不同網(wǎng)絡條件而進行優(yōu)化。

III. 應用示例

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

在此示例中有4個點對點配置信號，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)動機的最大轉(zhuǎn)速
• 內(nèi)插因子，可決定編碼器分辨率
• ESD 保護、功耗及成本等要求

圖7：典型應用，編碼器反饋信號

IV. 結(jié)論

RS-485 信令提供了可應對眾多數(shù)字發(fā)動機控制通信挑戰(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。
• 對于遠距離情況，強大的差分驅(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)議開銷負載的情況下，對伺服性能的影響也會微乎其微。
• 在多點架構(gòu)中運行的功能可使RS-485成為高級聯(lián)網(wǎng)應用的靈活、可擴展方案。

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

Clark Kinnaird是一名系統(tǒng)工程師，目前就職于達拉斯德州儀器高性能模擬部門。他負責設計新型數(shù)據(jù)傳輸產(chǎn)品，其中包括RS-485和CAN收發(fā)器。此外，他還為設計人員提供系統(tǒng)分析、電氣設計和詳細實驗室測試支持。Clark Kinnaird還在南衛(wèi)理工會大學 (SMUP) 教授電氣工程課程。

Clark Kinnaird于1999年獲得SMU的電氣工程博士學位。另外，他還擁有電氣工程碩士學位和核工程學士學位。Kinnaird博士在多個領(lǐng)域已經(jīng)獲得和正在申請多項專利，并當選為Eta Kappa Nu和Phi Kappa Phi協(xié)會榮譽會員。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：

• 《ANSI TIA/EIA-485：用于平衡數(shù)字多點系統(tǒng)的發(fā)電機和接收機電氣特性》，《全球工程設計文件》中提供，www.global.ihs.com
  
• 《TIA/EIA-485（RS-485）的接口電路》，《德州儀器應用記錄SLLA036》 www.ti.com
  
• 《總線解決方案比較》，《德州儀器應用記錄SLLA067》，www.ti.com
  
• 《采用 Sin/Cos 編碼器的高分辨率位置 DSP 解決方案》，《德州儀器應用報告SPRA496》，www.ti.com
  
• 《傳動控制電路中的電氣噪聲》，應用記錄 #5438，Galil Motion Control Inc.， www.galilmc.com
  
• 《分解器或旋轉(zhuǎn)編碼器，兩個測量系統(tǒng)的特性》，Heidenhain 技術(shù)論文，Peter Polak，www.heidenhain.com
  
• 《線性發(fā)動機的線性編碼器》，《Heidenhain技術(shù)論文》，www.heidenhain.com
  
• 《MODBUS初學入門》，《Acromag技術(shù)參考》，www.acromag.com
  
• InterBus協(xié)會網(wǎng)站，www.interbusclub.com
  
• Modbus機構(gòu)網(wǎng)站，www.modbus.org
  
• Profibus行業(yè)機構(gòu)網(wǎng)站，www.profibus.com
  
• BACnet機構(gòu)，www.bacnet.org