為成功設(shè)計(jì)出魯棒且容錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)工程師必須了解接收器IC、編碼器信號(hào)電纜、終端匹配和PCB設(shè)計(jì)的重要性。本文將對(duì)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵問(wèn)題進(jìn)行討論。
        成功的設(shè)計(jì)工程師必須了解接收器IC、編碼器信號(hào)電纜、端接和PCB布局所充當(dāng)?shù)闹匾巧?。如今，要求頗高的工業(yè)應(yīng)用需要魯棒而可靠的機(jī)器人和自動(dòng)化機(jī)器能在惡劣的條件下一周七天一天24小時(shí)地全天候工作。

        值得慶幸的是，現(xiàn)代化的高速伺服系統(tǒng)可以被設(shè)計(jì)為一個(gè)魯棒且容錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)控制反饋系統(tǒng)。運(yùn)動(dòng)控制器的接收器電路能預(yù)先對(duì)潛在錯(cuò)誤作出響應(yīng)，并且接收器電路的合理PCB布局可以防止編碼器數(shù)據(jù)中的噪聲問(wèn)題。設(shè)計(jì)工程師還應(yīng)該考慮包括接收器電路端接在內(nèi)的正交編碼器的信號(hào)布線系統(tǒng)。這些預(yù)防措施將使魯棒的運(yùn)動(dòng)控制反饋系統(tǒng)在錯(cuò)誤狀態(tài)下能穩(wěn)定運(yùn)行并是可預(yù)測(cè)的。

        當(dāng)今的許多性能改進(jìn)都得益于新技術(shù)和微電子學(xué)。這些創(chuàng)新技術(shù)通過(guò)消除機(jī)器人在共享工作空間的碰撞問(wèn)題、改進(jìn)任務(wù)分配并提高伺服準(zhǔn)確度，提供了更魯棒的自動(dòng)系統(tǒng)。魯棒的系統(tǒng)運(yùn)行的關(guān)鍵在于如何處理機(jī)械和電氣故障。本文討論魯棒且容錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，該系統(tǒng)的反饋通道采用正交編碼器。

伺服系統(tǒng)

         現(xiàn)代化的自動(dòng)系統(tǒng)在采用閉環(huán)反饋?zhàn)鳛檫\(yùn)動(dòng)控制。它們通常包括一個(gè)伺服系統(tǒng)，該伺服系統(tǒng)將馬達(dá)驅(qū)動(dòng)和反饋元件結(jié)合起來(lái)，以準(zhǔn)確、穩(wěn)定地控制速度和位置。圖1顯示了典型伺服系統(tǒng)中的各種系統(tǒng)級(jí)元器件。




        直流無(wú)刷馬達(dá)是高性能和高速度應(yīng)用的首選。直流電刷馬達(dá)和步進(jìn)馬達(dá)適用于速度較低且要求較低的應(yīng)用。本文討論的設(shè)計(jì)均采用無(wú)刷馬達(dá)。這種馬達(dá)通常在其終端傳動(dòng)軸上附帶正交編碼器，該編碼器可以確定傳動(dòng)軸速率和轉(zhuǎn)碼點(diǎn)以控制馬達(dá)的線圈轉(zhuǎn)換序列。機(jī)器的旋轉(zhuǎn)傳動(dòng)軸上的另一個(gè)正交編碼器提供該傳動(dòng)軸的位置數(shù)據(jù)，該數(shù)據(jù)通常會(huì)由于齒輪頭和絲杠組合的齒隙引起的誤差而與馬達(dá)傳動(dòng)軸的實(shí)際位置有所不同。

        典型的運(yùn)動(dòng)控制器卡和模塊包括一個(gè)運(yùn)動(dòng)控制IC、一個(gè)微處理器和一個(gè)用于處理高速編碼器信號(hào)的DSP或定制ASIC。該控制器將速度和旋轉(zhuǎn)方向信號(hào)提供給驅(qū)動(dòng)器或放大器，令它們提供適當(dāng)級(jí)別的電壓和電流(功率)來(lái)操作馬達(dá)。為了設(shè)計(jì)帶有反饋的魯棒且容錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)，在系統(tǒng)級(jí)設(shè)計(jì)階段考慮下列問(wèn)題：控制器編碼器輸入電路(接收器電路)；接收器電路的PCB設(shè)計(jì)；編碼器信號(hào)布線系統(tǒng)。在設(shè)計(jì)容錯(cuò)反饋系統(tǒng)時(shí)，還應(yīng)考慮運(yùn)動(dòng)控制器的輸入(比如硬線連接的緊急停止)和輸入限制等。

控制器的接收器電路


        馬達(dá)的正交編碼器沿著電纜將六個(gè)RS-422/RS-485信號(hào)(A、A-；B、B-；Index、Index-)發(fā)送至運(yùn)動(dòng)控制器的接收器電路(編碼器輸入)。接收器將RS-422信號(hào)轉(zhuǎn)換成邏輯電平信號(hào)(我們之所以采用RS-422信號(hào)，是因?yàn)橄到y(tǒng)只有一個(gè)發(fā)射器)并將這些信號(hào)提供給運(yùn)動(dòng)控制器電路進(jìn)行處理。接收器電路必須對(duì)伺服系統(tǒng)環(huán)境中的各種故障作出響應(yīng)，包括開(kāi)路、短路和噪聲。

        圖2顯示了典型運(yùn)動(dòng)控制器中的編碼器輸入接收器電路。MAX3095是帶有±15 kV ESD保護(hù)的10 Mbps、5V、四路RS-422/RS-485接收器。對(duì)于帶有連接至外部元件的編碼器輸入的容錯(cuò)系統(tǒng)，ESD保護(hù)是必需的。在本電路中，所有編碼器輸入線路上的ESD保護(hù)都在器件內(nèi)部。沒(méi)有外部ESD保護(hù)元件可大大減少電路所需的PCB面積。




        150Ω電阻可以為從正交編碼器沿著雙絞線電纜傳輸?shù)拿繉?duì)補(bǔ)償信號(hào)對(duì)提供適當(dāng)?shù)慕K端匹配。電纜發(fā)生斷裂或中斷連接會(huì)產(chǎn)生開(kāi)路故障，必須檢測(cè)到該故障之后，活動(dòng)控制器才能執(zhí)行適當(dāng)?shù)牟僮?。作為故障保護(hù)測(cè)量方法，當(dāng)一對(duì)輸入信號(hào)開(kāi)路時(shí)，MAX3095接收器會(huì)輸出邏輯高作為響應(yīng)。用1kΩ的電阻對(duì)接收器的“A”輸入進(jìn)行偏壓，使其超過(guò)“B”輸入至少200mV。這些電阻對(duì)在存在輸入終端電阻的情況下維持故障保護(hù)輸出也是必需的。本電路提供ESD保護(hù)、開(kāi)路檢測(cè)和輸出短路保護(hù)，但它不檢測(cè)短路輸入。