设计稳健且容错的运动控制反馈系统

描述

系统中稳健运行的关键在于它处理机械和电气故障的方式。本文讨论鲁棒且容错的运动控制系统的设计，其反馈路径包含正交编码器。

伺服系统

现代自动化系统集成了用于运动控制的闭环反馈。它们通常包括一个伺服系统，该系统由电机驱动器和反馈元件组成，其组合方式可以对速度和位置进行准确和稳定的控制。典型伺服系统的各种系统级组件如图1所示。

图1.这种直流无刷伺服系统使用正交光学编码器向运动控制器提供速度和位置反馈

直流无刷电机是高性能和高速应用的首选。直流有刷和步进电机适用于低速和要求较低的应用。本文中假设无刷电机。此类电机通常在端轴上包括一个正交编码器，用于确定轴速度和换向点，以控制电机的线圈开关顺序（参见侧栏，反馈编码器类型）。机器旋转轴上的第二个正交编码器提供该轴的位置数据，由于齿轮箱和丝杠组件的间隙导致不准确，该位置通常与电机轴位置不同。

典型的运动控制器卡和模块包括运动控制IC、微处理器以及用于处理高速编码器信号的DSP或定制ASIC。控制器向驱动器或放大器提供速度和旋转方向信号，进而提供适当的电压和电流（功率）水平来操作电机。要设计具有反馈的鲁棒且容错的运动控制系统，必须在设计期间在系统级别解决以下事项：

控制器编码器输入电路（接收器电路）

接收器电路 PC 板布局

编码器信号布线系统

虽然本文未涉及，但在设计容错反馈系统时，还应考虑运动控制器输入，例如硬接线急停和限位输入。

控制器接收器电路

电机的正交编码器将六个 RS-422/RS-485 信号（A、A、B、B、索引和索引）通过电缆发送到运动控制器的接收器电路（编码器输入）。接收器将RS-422信号转换为逻辑电平信号（我们假设RS-422信号，因为系统只有一个发射器），并将它们馈送到运动控制器电路进行处理。（有关 RS-422 和 RS-485 的区别，请参阅 www.stg-maximintegrated.com 中的简短在线教程 RS-485 基础知识。接收器电路必须响应伺服系统环境中的各种故障，包括开路、短路和噪声。有关故障和 ESD 的信息，请参阅侧栏故障类型。

图2显示了典型运动控制器中的编码器-输入接收器电路。U1 是一款 10Mbps、5V、四通道 RS-422/RS-485 接收器，具有 ±15kV ESD 保护。对于具有连接到外部组件的编码器输入的容错系统，ESD保护是必须的。由于没有外部ESD保护元件，因此大大减少了该电路所需的PCB面积。

图2.作为运动控制器的一部分，该编码器输入接收器电路在所有编码器输入线路上具有开路检测和ESD保护（MAX3095内部）

150Ω电阻为从正交编码器沿双绞线电缆传输的每组互补信号对提供适当的端接。（电缆端接和相关问题将在后面详细介绍。电缆断裂或断开会产生开路故障，必须先检测到该故障，然后运动控制器才能采取适当的措施。作为故障保护措施，MAX3095接收器输出根据开路输入对置位逻辑高电平。1kΩ电阻使接收器的“A”输入偏置至少比其“B”输入高200mV。它们对于在存在输入端接电阻的情况下保持故障安全输出也是必要的。该电路提供ESD保护、开路检测和输出短路保护，但不检测短路输入。改进的电路（图3）包括两个IC，每个IC包括三个RS-422/RS-485接收器。每个接收器提供内置故障检测、±15kV ESD 保护和 32Mbps 数据速率。MAX3098E检测编码器开路和短路输入。它还可以检测低压差分信号、共模范围违规和其他故障。其逻辑电平输出指示哪个接收器输入具有故障条件。通过直接报告故障，该功能可减少软件开销，并最大限度地减少对外部逻辑组件的需求。

图3.该电路通过检测开路、短路和中间故障、所有编码器输入线路上的ESD保护以及延迟报警/故障输出来改进图2的电路。

任何编码器输入上的故障都会在相应的输出上产生即时逻辑高电平：ALARMA、ALARMB 或 ALARMZ。伺服系统的缓慢移动会在正交编码器信号的过零区域产生瞬态故障，从而触发“假故障”。您可以通过选择C_Delay值将报警输出（报警 a、报警b 和报警 z 的逻辑或）延迟到所需的时间间隔。120Ω电阻为电缆提供正确的RS-422端接。由于该 IC 采用 16 引脚 QSOP 封装，因此该电路需要的元件更少，并且在 PC 板上占用的空间非常紧凑。

接收器电路 PC 板布局

接收器电路的正确布局始于RS-422编码器的输入连接器。差分信号对 A a、B B 和索引索引 必须占用连接器上的相邻引脚。这种配置通过确保差分对的返回信号-电流路径重叠和抵消来最大限度地减少信号不平衡。典型的元件放置如图4所示。为确保每条印刷电路板走线具有相同的寄生电容，请将每对差分走线紧密地布线在一起，长度相等，并具有对称的弯曲。

图4.MAX3098三路RS-422/RS-485接收器具有故障检测功能，确保运动控制器编码器输入端的PCB布线和元件放置正确

为了最大限度地减少数字输出上的电感和电容串扰并提供更低的电感，来自连接器和接收器电路的差分RS-422信号应铺设在印刷电路板内的实心接地层上。此接地层中不应有大电流信号流动。

运动控制器电路中的高速电流切换会产生共模噪声。使用滤波器和旁路电容器有助于降低耦合到电源线上的共模电压的影响。应将一个 0.1μF 旁路电容放置在靠近接收器 VCC 输入的位置。为了最小化旁路环路中的电感，电容器的接地引线应直接连接到实心接地层，IC接地引脚也应通过与其相邻的通孔连接。最后，为了尽量减少与接收器电路的噪声耦合，应避免在任何电源电路附近或附近布线接收器走线。

编码器信号线

由于来自正交编码器的差分信号是平衡的，因此可以通过常规配对电缆传输，但首选双绞线电缆。双绞线电缆具有非常低的电感耦合和高达几兆赫兹的恒定阻抗，可在运动控制系统中实现极高的速度性能。双绞线电缆还有助于降低辐射和接收的EMI。

双绞线电缆有屏蔽或非屏蔽两种选择。非屏蔽电缆更小，成本更低，重量更轻，并且可以在更小的半径内弯曲，但差分正交编码器信号必须使用屏蔽双绞线电缆。屏蔽双绞线电缆提供更好的共模抑制，因为屏蔽提供了额外的电磁干扰（EMI）保护。实际非屏蔽双绞线电缆中的非理想扭曲允许EMI噪声急剧增加。将屏蔽线连接到编码器输入连接器处的接收器接地层。

编码器的信号线根本不应携带功率电平信号或任何其他信号。也不应靠近或平行于传输功率电平信号或其他噪声信号（包括 60Hz 功率）的其他电缆或导管。

现代高速伺服控制系统使用编码器运行，编码器可提供高达几兆赫兹的数据速率。在如此高的速率下，编码器信号电缆必须在接收器端使用终端电阻或网络正确端接。理想情况下，终端电阻与电缆的特性阻抗具有相同的值。

由于RS-422网络上只有一个发射器（编码器输出）（一个发射器和一个接收器），因此发射器不需要终端电阻。然而，非端接接收器输入上的振铃和反射可能会将数据吞吐量限制为每秒几百千比特。将电缆的特性阻抗匹配到±20%以内通常绰绰有余。编码器电缆的正确端接如图 2 和图 3 所示。

因此，现代高速伺服系统可以设计为稳健且容错的运动控制反馈系统。运动控制器的接收器电路必须可预测地响应可能出现的各种故障，并且接收器电路的正确PC布局可以防止编码器数据中的噪声问题。设计人员还应考虑正交编码器的信号布线系统，包括接收器电路的端接。这些预防措施产生了一个强大的运动控制反馈系统，该系统在故障条件下是稳定和可预测的。

边栏：故障类型 （FT）

开路、短路和介于两者之间的条件是系统级别最明显的故障。电机和反馈编码器通常位于距离伺服系统控制器/放大器数十到数百英尺的地方。连接器在两端终止这些长电缆，电线可能会从连接器中脱落、连接器断裂以及电缆无意中打开。当端部连接器因机器振动而断开或电线断裂时，开路或短路故障通常表现出几次开路/重新连接或短路/开路循环，类似于开关中的触点在完全打开或短路之前反弹。由于反馈编码器信号通常通过双绞线传输，因此差分信号在短路故障期间可能会一起短路。

当反馈线的电阻或电容增加时，可能会出现中间故障，当安装不良挤压电缆时，可能会出现中间故障。这些问题也可能在以后的操作中表现出来。例如，当湿气进入损坏的电缆护套时，电缆电容会随着时间的推移而增加，从而导致信号强度降低。这种情况在重工业环境中很常见，自动化设备可能需要每天冲洗。即使电缆的性能会随着时间的推移而下降，电缆仍可正常工作。作为预防措施，您应该包括一个用于检测湿气污染故障的电路。

噪声故障可能是最难消除的，因为噪声可能来自电磁干扰（EMI）、射频干扰（RFI）和/或接地或系统级接地环路。系统级噪声源（散热器）包括：

换向过程中直流电机电刷的电弧放电

来自PWM电机放大器的高速dv/dt开关噪声

大功率继电器、开关和执行器，如螺线管

在 60Hz 交流周期内随机导通 SCR 和 TRIAC

开关电源

静电放电

噪声接收器（天线）包括长电缆、接地连接、PC 板上的长高阻抗走线和变压器。噪声问题需要接收器和散热器之间的耦合方法，例如电容式、电感式或导电式耦合。电容耦合通常发生在高阻抗电路中，当电线或其他未接地的金属片拾取或产生电场时。为了使电路以容性方式耦合噪声，电路的环路阻抗必须超过空气的固有阻抗（376.7Ω）。

电感耦合通常发生在电路环路阻抗小于376.7Ω的低阻抗电路中。电线、开芯电感器和变压器拾取或产生可能导致EMI噪声的磁场。在设计和安装过程中，必须尽量减少这些电路的电流环路。

传导耦合噪声通常在地进入电路。对于直流噪声，它采用接地层中直流电阻最小的路径，对于交流耦合噪声，它采用最小阻抗的路径。因此，电路参考点（地）的电压往往高于或低于其正常值，或者（最坏情况）动态变化的值。

在交流电源中性线和系统级接地之间形成的接地环路会导致接地电流流动，从而产生随机噪声。接地电流可能由电压差、其他电缆或设备的感应、接线错误、接地故障或工业环境中发生的正常设备泄漏驱动。

共模噪声定义为两个浮动或表现出高阻抗的节点共有的，可以是交流或直流。共模噪声可能是系统设计中固有的，但通常从外部源进行电感或电容耦合。例如，来自电源线的60Hz信号与来自模拟传感器的一对信号线相邻，可以电感耦合到电线上并淹没低电平传感器信号。

当两种不同的材料聚集在一起，转移电荷并分开，在它们之间产生电压时，就会产生静电放电（ESD）。当技术人员在维护期间连接或断开这些电缆时，连接到外部连接器的 IC 引脚容易受到 ESD 的影响。

注入IC引脚的ESD会导致IC闩锁或完全失效。在闩锁期间可能会流出非常高的电流，导致主电源达到电流限制，或导致系统进入不受控制的关机状态。暴露于外部信号的IC引脚或没有内部ESD保护的连接器必须包含ESD保护，如金属氧化物压敏电阻，或硅雪崩抑制器，如TransZorbs。具有内置ESD保护的IC可节省PC空间，从而支持更小外形尺寸和更小工业外壳的驱动。

边栏：反馈编码器类型 （FE）

为了获得准确的定位，伺服系统需要一个反馈信号来关闭其反馈回路。通常提供反馈信号的仪器包括光学编码器、旋转变压器和正交磁致伸缩线性位移传感器。本文不讨论用于此目的的其他仪器类型。它们包括模拟转速计发生器、感应发电机、霍尔效应拾音器和电位器。

提供数字方波反馈信号的光学编码器包括正交（增量）、绝对和伪随机类型。典型的光学编码器由发射器侧、检测器侧和码盘组成，码盘为编码器的处理电路提供原始模拟信号。然后，比较器级将模拟输出转换为数字输出。数字格式包括集电极开路输出和（对于单端输出）5V至24V逻辑。对于抗噪性，最可靠的输出是互补的差分RS-422类型。

正交光学编码器以 A、B 和 Z 脉冲的形式提供反馈信号。A 和 B 信号与编码器的码盘呈 90° 的相位分离，因此呈正交（即电间隔四分之一周期）。当 A 在 B 之前变为正值时，编码器顺时针旋转，反之亦然，逆时针旋转。因此，位置、方向和速度数据可以从这两个信号中得出。Z 信号指示电机的转子位置，以及编码器轴是否旋转了 360°。它还检查 A 和 B 信号的计数错误。对于 RS-422 连接，编码器为 A、B 和 Z 输出提供互补信号。

绝对式光学编码器采用类似于正交光学编码器的信号处理组件，但其输出每转数增量提供一个并行二进制字。典型输出为 13 至 1200 位 BCD、格雷或自然二进制代码，12 位输出施加较低的频率响应（600 位为 13 RPM，360 位为 <> RPM），以换取每 <>° 旋转的更精细分辨率。这种编码器类型通常用于在上电和断电期间监控轴位置，因为与正交编码器不同，编码输出允许您在不移动编码器的情况下读取轴位置。

新型伪随机光学编码器提供三种输出信号：A 和 B 提供方向感测和空间定时，第三种提供位置数据。伪随机光学编码器需要旋转 1° 到 2° 才能确定位置。

旋转变压器是提供正弦和余弦输出波形的反馈编码器，可以通过伺服控制器对其进行处理以提供速度和位置数据。旋转变压器的反馈信号表示其轴旋转时的绝对位置，但低速性能较差。旋转变压器的主要缺点是处理其信号所需的相对昂贵的旋转变压器到数字电子设备。

最后，正交磁致伸缩线性位移传感器（LDT）是反馈编码器/换能器，旨在测量线性运动，而不是上述编码器测量的旋转运动。模拟位置信号由沿磁致伸缩导丝发送的电流脉冲产生，与位置磁体相互作用，位置磁体随从LDT突出的线性位移杆移动。反射脉冲由拾音传感器感应。然后，LDT对拾取传感器信号进行处理和数字化，以提供正交输出信号A、B和Z，类似于正交编码器。

审核编辑：郭婷