增強(qiáng)電機(jī)控制編碼器應(yīng)用的通信可靠性和性能

旋轉(zhuǎn)編碼器廣泛用于工業(yè)自動化系統(tǒng)中。此類編碼器的典型應(yīng)用是電力機(jī)械，其中編碼器連接到旋轉(zhuǎn)軸，從而向控制系統(tǒng)提供反饋。雖然編碼器的主要用途是角度位置和速度測量，但系統(tǒng)診斷和參數(shù)配置等其他特性也很常見。圖1顯示了一個電機(jī)控制信號鏈，其利用RS-485收發(fā)器和微處理器連接絕對編碼器（ABS編碼器）從機(jī)和工業(yè)伺服驅(qū)動器主機(jī)，以實現(xiàn)對交流電機(jī)的閉環(huán)控制。

伺服驅(qū)動器和ABS編碼器之間的RS-485通信鏈路通常要求高達(dá)16 MHz的高數(shù)據(jù)速率和低傳播延遲時序規(guī)格。RS-485線纜延伸長度最大值通常是50米，但有時候也可能長達(dá)150米。對數(shù)據(jù)通信而言，電機(jī)控制編碼器應(yīng)用是具有挑戰(zhàn)性的環(huán)境，因為電氣噪聲和長電纜會影響RS-485信號傳輸?shù)耐暾?。本文重點闡述電機(jī)控制應(yīng)用采用ADI公司50 Mbps (25 MHz)ADM3065E RS-485收發(fā)器和 ADSP-CM40x 混合信號控制處理器的主要好處。

圖1. 利用RS-485連接絕對編碼器從機(jī)和伺服驅(qū)動器主機(jī)，實現(xiàn)對交流電機(jī)的閉環(huán)控制。

ADM3065E RS-485收發(fā)器設(shè)計用于在電機(jī)控制編碼器之類惡劣環(huán)境中可靠地工作，并且具備增強(qiáng)的抗擾度和(IEC)61000-4-2 ESD（靜電放電）魯棒性。

RS-485信號傳輸是平衡的差分式傳輸，本身便能抗干擾。系統(tǒng)噪聲均等地耦合到RS-485雙絞線電纜中的每條導(dǎo)線。一個信號的發(fā)射與另一個信號相反，耦合到RS-485總線的電磁場彼此抵消。這降低了系統(tǒng)的電磁干擾(EMI)。此外，ADM3065E增強(qiáng)的2.1 V驅(qū)動強(qiáng)度支持在通信中實現(xiàn)更高的信噪比(SNR)。給ADM3065E增加信號隔離可利用 ADuM141D輕松實現(xiàn)。ADuM141D是一款采用ADI公司 iCoupler? 技術(shù)的 四通道數(shù)字隔離器。ADuM141D的工作數(shù)據(jù)速率高可達(dá)150 Mbps，因此它適合與50 Mbps ADM3065E RS-485收發(fā)器一起工作（參見圖2）。直接功率注入(DPI)法測量器件抑制注入到電源或輸入引腳的噪聲的能力。ADuM141D采用的隔離技術(shù)已通過測試，符合DPI IEC 62132-4標(biāo)準(zhǔn)。ADuM141D抗擾度性能超過同類產(chǎn)品。ADuM141D在整個頻率范圍內(nèi)保持了出色的性能，而其他隔離產(chǎn)品在200 MHz至700 MHz頻段出現(xiàn)位錯誤。

圖2. 信號隔離的50 Mbps RS-485解決方案（簡化圖，未顯示全部連接）。

編碼器到電機(jī)驅(qū)動器的裸露RS-485連接器和線纜上的ESD是一個常見系統(tǒng)危險因素。與變速電力驅(qū)動系統(tǒng)的EMC抗擾度要求相關(guān)的系統(tǒng)級IEC 61800-3標(biāo)準(zhǔn)，要求最低±4 kV（接觸）/±8 kV（空氣）的IEC 61000-4-2 ESD保護(hù)。ADM3065E超過了這一要求，提供±12 kV（接觸）/±12 kV（空氣）的IEC 61000-4-2 ESD保護(hù)。圖3所示為IEC 61000-4-2標(biāo)準(zhǔn)中的8 kV接觸放電電流波形與人體模型(HBM) ESD 8 kV波形的對比。從圖4中可以看出，兩個標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的波形形狀和峰值電流是不同的。與IEC 61000-4-2 8 kV脈沖關(guān)聯(lián)的峰值電流為30 A，相應(yīng)的HBM ESD峰值電流比該數(shù)值的五分之一還小，為5.33A。另一差異為初始電壓尖峰的上升時間，對于IEC 61000-4-2 ESD，上升時間為1 ns，相較于與HBM ESD波形關(guān)聯(lián)的10 ns時間要快得多。與IEC ESD波形關(guān)聯(lián)的功率值顯著大于HBMESD波形的相應(yīng)值。HBM ESD標(biāo)準(zhǔn)要求待測設(shè)備(EUT)經(jīng)受3次正放電和3次負(fù)放電，而IEC ESD標(biāo)準(zhǔn)則要求10次正放電和10次負(fù)放電測試。與標(biāo)稱多種HBM ESD保護(hù)級別的其他RS-485收發(fā)器相比，具有IEC 61000-4-2 ESD額定值的ADM3065E更適合在惡劣環(huán)境中工作。

圖3. IEC 61000-4-2 ESD波形(8 kV)與HBM ESD波形(8 kV)的對比

編碼器使用的通信協(xié)議有很多種，例如EnDat、BiSS、HIPERFACE和Tamagawa。盡管有區(qū)別，但編碼器通信協(xié)議在實現(xiàn)方面具有相似點。這些協(xié)議的接口是串行雙向管道，符合RS-422或RS-485電氣規(guī)范。雖然硬件層有相同之處，但運(yùn)行每種協(xié)議所需的軟件是獨一無二的。通信堆棧和所需的應(yīng)用程序代碼均特定于協(xié)議。本文主要說明EnDat 2.2接口主機(jī)側(cè)的硬件和軟件實現(xiàn)。

延遲分為兩類：第一類是電纜的傳輸延遲，第二類是收發(fā)器的傳播延遲。電纜延遲由光速和電纜的電介質(zhì)常數(shù)決定，典型值為6 ns/m至10 ns/m。當(dāng)總延遲超過半時鐘周期時，主機(jī)和從機(jī)之間的通信就會出故障。對此，設(shè)計人員有如下選擇：