基于直流无刷伺服电机的的运动反馈控制系统的设计方案

关于运动控制及系统

运动控制系统己经闻世多年了在各个领域得到应用。

而运动控制（包括轨迹控制、伺服控制）与顺序控制、过程控制，传动控制并列为典型的控制模式，是一直以来扮演重要支柱技术角色的自动控制系统，在许多高科技领域得到了非常广泛的应用，如激光加工，机器人，数控机床。大规模集成电路制造设备、雷达和各种军用武器随动系统，以及柔性制造系统（FMS）等。而运动控制系统的组成主要由五部分构成：被移动的机械设备、带反馈和运动I/O的马达（伺服或步进）、马达驱动单元、运动控制模块、以及编程/操作接口软件（见图1）所示。其运动控制芯片或模块是作为伺服与步进控制用。

图1 为运动控制系统组成示意框图

从图1可见传动装置将运动控制模块与特定应用马达、编码器、限制器、用户（运动）I/O连接在一起，用一根控制电缆连接运动控制模块与传动装置，为全部的命令集与反馈信号提供一个通道。当传动装置的性能不能满足应用需要时，用户还可选择通用运动接口（UMI）螺丝接线端子附件，与第三方马达和驱动器/放大器连接。

因为一般盛行的的解决方案均为封闭式结构系统， 所以基于计算机的运动解决方案所拥有的附加灵活性及低成本潜力使其受到普遍欢迎。

随着功率电子技术、微电子技术、计算机技术及控制原理的进步，以交流伺服电动机为执行电动机的交流伺服驱动具有了可与直流伺服驱动相比拟的特性，从而使得交流伺服电动机固有的优势得到了充分的发挥，交流伺服驱动已成为现代伺服驱动发展的方向。交流伺服技术现已广泛应用于数控机床，印刷包装机械、纺织机械，自动化生产线等自动化领域。为用户提高加工精度和工艺水平，取得良好的经济技术效益，提供了最佳的解决方案。

而当今的应用，最迫切需要可以在苛刻条件下，一天24小时连续工作的、可靠耐用的工业机器人和自动机械装置。这样的系统要求远比以前具有精确的电机和反馈控制，今天的大多数性能改进要归功于新技术和微电子技术的发展。这些创新消除了机器人和自动机械装置共用工作空间时产生的碰撞，改进了任务分配并且提高了伺服系统的精确性，从而使自动机械系统更加可靠地工作。由于运动控制芯片或模块是能为一般伺服与步进应用提供精确、高性能的运动功能，故可以简单易用的运动控制模块、软件、以及外设为运动和测量集成需求提供最佳集成解决方案。本文着重讨论运动控制模块在直流无刷电机伺服系统中的应用， 并对其主要运动控制模块的接收电路与正交编码器信号电缆技术作分析说明。

运动控制模块的应用-直流无刷电机伺服系统

运动控制模块要在直流无刷电机伺服系统中得到应用，它必须组成闭环系统的运动控制系统。

该直流无刷电机伺服系统由运动控制模块（卡）与伺服电机、驱动器和反馈元件（反馈用正交编码器）组合及编程/操作接口软件等组成。它能对于速度和位置提供精确与稳定的控制。图2所示为运动控制模块组成的直流无刷电机伺服系统方块图。

图2 用运动控制模块与反馈速度和位置信号的正交编码器等组成的直流无刷伺服系统

从图2看出，该运动控制系统是含有一个直流无刷电机的伺服系统，而其运动控制模块正交编码器的接口电路，就是运动控制模块的编码输入电路，即接收器电路，它接收通过反馈编码器电缆传送来的正交编码器的输出信号。

对高性能、高速的应用系统而言，直流无刷电机是可用的，在此所述系统均是直流无刷电机伺服系统。这种电机的轴端装有测定轴速和换向点的正交编码器，用于控制电机的线圈切换顺序。而第二个正交编码器安装在机械装置的旋转轴上，它输出旋转轴的位置数据信号，使由于传动装置和导螺杆中的齿隙（两个或多于齿轮间的间隙）所导致的误差而引起旋转轴的位置和电机轴的位置不一致问题得到解决。

典型的运动控制模块包含一个微处理器和一个用于处理高速编码信号的DSP或定制ASIC。运动控制模块为驱动器或放大器提供一个控制转动速度和方向的信号，驱动器把它转换为适当的电压和电流去驱动电机运转。这样的运动控制模块在直流无刷电机伺服系统中的应用就能使糸统成为坚固的、具有容错能力的运动控制反馈系统。该系统应注意下列问题：

运动控制模块与正交编码器输出之间的接口电路;

接收器印刷电路板的设计;

正交编码器信号电缆系统的应用。

运动控制模块的接收电路

运动控制模块的编码输入电路-接收器电路，实际上就是运动控制模块与正交编码器输出之间的接口电路。本糸统采用MAX3095接收器电路与正交编码器电缆-端子电阻匹配电路组合作为其接口电路。

正交编码器输出6路RS-422/RS—485信号（A、 、B、B、INDEX和 ），通过电缆传送至运动控制模块的接收电路MAX3095。接收电路把RS-422信号转换为逻辑电平信号，并把信号送至运动控制模块或DSP或ASIC进行处理。接收电路必须对来自伺服系统的各种故障包括开路、短路、噪声等做出反应，即对来正交编码器输出中的开路、短路、噪声编码信号做出反应。

图3 运动控制模块与正交编码器输出之间的接口电路

图3是一个典型的运动控制模块的编码信号输入接收器电路（即运动控制模块与正交编码器输出之间的接口电路）。

从正交编码器发出的信号通过双绞线传送到接收电路，每对互补信号线A、 或B、 之间跨与接一个150Ω电阻提供适当的端接。当发生电缆断裂或脱离等开路故障时，要使运动控制模块采取适当的动作，首先必须检测到这些故障。作为一种失效保护措施，当输入信号线开路时，MAX3095接收器会输出逻辑高。1kΩ偏置电阻使输入端“A”的电压至少比输入端“B”高200mV。当有输入端接电阻时，它们仍需保持失效保护输出。这个电路具有ESD防护、开路检测和输出短路保护，但不能检测输人短路。

另一种改进的电路（图4）包含了2片MAX3098，每片都包含三路RS—422/RS-485接收器。

图4 图3的改造电路

各接收器均具有内置的故障检测、±15kV ESD（静电释放）保护和32Mbps的数据速率。而MAX3098E能检测接收器输入开路和短路故障，也能检测低电压差分信号和共模范围超限等其它故障。它的逻辑电平输出能够指示哪一路接收器输入发生了故障。这种直接的故障报告降低了软件开销，并将外部逻辑元件减到最少。

任何一路正交编码器输出即控制模块的编码输入发生故障都会立即在相应输出发出逻辑高信号：ALARM A、ALARM B和ALARM Z。伺服系统移动缓慢时，会在正交编码器信号的过零区域产生瞬时故障，触发“假故障”。通过选择电容C-延迟的值，可将ALARM D输出（ALARM A、ALARM B和ALARM Z的逻辑或）延迟适当的时间。120Ω电阻为RS422电缆提供适当的端接。

关于反馈编码器

由于为实现精确定位，伺服系统必须有一个反馈信号使反馈形成闭环。而能提供这种反馈信号的装置包括光电编码器、旋转变压器和正交磁致伸缩线性位移传感器。

光电编码器输出一个数字方波信号，包括正交（增量）型、绝对值型和伪随机型。一个典型的光电编码器包括光发射器、光接收器、输出原始模拟信号的编码轮。模拟信号被送至编码器的处理电路，转换为数字信号输出。信号输出方式有集电极开路输出和单端输出，逻辑电平为5V至24V。为了降低噪声干扰，最可靠的输出是互补、差分的RS-422。正交光电编码器输出的反馈信号有A、B、Z三种形式的脉冲。信号A和B来自编码器码轮并具有90º的相差。当A超前于B时，表明编码器是顺时针旋转的，反之，编码器为逆时针旋转。因而由这两个信号就可得到位置、方向和速度数据。信号Z表示电机转子的位置和编码器的轴是否转过360º。它还能校验信号A和B的误算。采用 RS-422接口时， 编码器提供互补的A、B和Z输出。

绝对光电编码器采用的信号处理部件与正交光电编码器相似，只是它在每旋转一周时输出一个并行二进制字。一般是十二至十三位的BCD、格雷或自然二进制码，13位输出只用于低频响应（1200转/分输出12位;600转/分输出13位），但每转360º具有更精细的分辨率。这种类型的编码器很适于监测上电和掉电期间的轴的位置，因为和正交编码器不同的是，在编码器没有移动时，轴的位置也可通过编码输出读得。

新型的伪随机光电编码器输出3个信号：A和B给出了方向和空间同步信号，另一个信号给出位置数据这种编码器需要有1º到2º旋转才能确定位置。

旋转变压器是具有正弦和余弦信号输出的反馈编码器，通过伺服系统控制器的处理，可以从中获得速度和位置数据。当轴旋转时，旋转变压器的反馈信号能够提供绝对位置信息，但其低速性能较差。这种编码器的主要缺点是将信号转换为数字信号时，要对信号进行必要的处理，造价相对较高。

正交型磁致伸缩线性位移传感器（LDT）是用来测量直线移动的反馈编码器/传感器，不适用于转动位置测量。它的工作原理是：LDT的线性位移杆带动磁铁的移动，磁铁作用于磁致伸缩导线，产生一个电流脉冲信号，再由一个拾取传感据检测这个脉冲信号-模拟位置信号。最后由LDT对它进行处理，转换为和正交编码器相似的数字输出信号A，B、和Z.

结语

直流无刷电机伺服系统是一个坚固的具有容错能力的运动反馈控制系统。该系统的接收电路必须对产生的各种故障做出预知的反应，为了预防编码器数据的噪声问题，还要合理地设计接收器电路的印刷电路板。应用时也要考虑正交编码器的信号电缆系统，包括接收器电路的端接。有了这些预防措施，就可以用设计出性能稳定、故障期间具有预知状态的运动控制反馈系统。

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