RS-485 IC提高了電機(jī)控制電路中的系統(tǒng)可靠性和故障檢測(cè)

應(yīng)用獨(dú)特的3通道RS-485收發(fā)器，顯示許多不尋常的功能，可提高電機(jī)控制應(yīng)用中的可靠性和故障檢測(cè)。MAX3097和MAX3098專為電機(jī)軸編碼器應(yīng)用而設(shè)計(jì)，具有三個(gè)差分通道，用于處理光學(xué)編碼器數(shù)據(jù)，±15kV ESD保護(hù)，共模抑制增強(qiáng)至-10和+13.2V，三個(gè)獨(dú)立的故障報(bào)警標(biāo)志，以及故障安全開(kāi)路和短路檢測(cè)。報(bào)警標(biāo)志指示線路開(kāi)路或短路情況、共模電壓范圍過(guò)大以及信號(hào)強(qiáng)度低。

現(xiàn)代工廠使用大型電動(dòng)機(jī)來(lái)控制工廠運(yùn)行所需的機(jī)器。為了提高靈活性和準(zhǔn)確性，這些電動(dòng)機(jī)有時(shí)由處理器控制。控制這些大型電機(jī)的電子設(shè)備必須設(shè)計(jì)成這樣一種方式，即如果出現(xiàn)問(wèn)題，電機(jī)將安全快速地關(guān)閉。未能檢測(cè)到問(wèn)題并充分控制電機(jī)可能會(huì)導(dǎo)致昂貴的設(shè)備損壞，以及受傷甚至死亡。MAX3097E/MAX3098E專門設(shè)計(jì)用于絕對(duì)定位控制環(huán)路中的電機(jī)。這些部件具有獨(dú)特的功能，可在惡劣的工業(yè)環(huán)境中實(shí)現(xiàn)更安全、更堅(jiān)固的設(shè)計(jì)。為了更好地理解MAX3097E/MAX3098E的獨(dú)特特性，我們首先回顧一下電機(jī)控制的基礎(chǔ)知識(shí)。

圖1.處理器控制的電動(dòng)機(jī)的主要構(gòu)建模塊。

圖 1 中的模塊包括處理器、電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路、電動(dòng)機(jī)和編碼器。處理器決定電機(jī)的驅(qū)動(dòng)力度和驅(qū)動(dòng)位置。電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路包含驅(qū)動(dòng)電機(jī)所需的所有電力電子設(shè)備，編碼器向處理器提供位置、方向和速度信息，從而閉環(huán)。要了解MAX3097E/MAX3098E的工作原理，必須很好地掌握編碼器的工作原理。

編碼器操作

編碼器的功能是向處理器提供速度、方向和位置信息。電機(jī)編碼器可以采用許多不同的形式。MAX3097E/MAX3098E設(shè)計(jì)用于三路輸出編碼器工作，該編碼器通常采用光學(xué)結(jié)構(gòu)。光學(xué)編碼器的工作原理是通過(guò)輪子或標(biāo)記的圓盤(pán)照射光線，該圓盤(pán)隨電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)。根據(jù)應(yīng)用和所需的精度，編碼器的邊緣周圍有不同數(shù)量的槽/標(biāo)記。此外，位于下面的另一個(gè)插槽用于索引。兩個(gè)光學(xué)傳感器的位置使得在主插槽上提供正交信息。最終結(jié)果是三個(gè)數(shù)字輸出，通常稱為 A、B 和 Z。參見(jiàn)圖2。

圖2.光學(xué)編碼器盤(pán)。

速度

編碼器輪通常每轉(zhuǎn)一圈電機(jī)，或者處于齒輪比。因此，來(lái)自A和B輸出的數(shù)字信號(hào)的頻率與電機(jī)的速度成比例變化。例如，將 1000 線編碼器直接耦合到以 5000RPM 旋轉(zhuǎn)的電機(jī)，產(chǎn)生 83kHz 的頻率。因此，通過(guò)測(cè)量 A 或 B 輸出的頻率，處理器可以確定電機(jī)的速度。

方向

方向可以通過(guò)測(cè)量A和B輸出之間的相位差來(lái)確定。在圖 2 中，如果 A 在 B 之前上升，則電機(jī)沿一個(gè)方向轉(zhuǎn)動(dòng)，或者如果 B 在 A 之前上升，則電機(jī)向另一個(gè)方向轉(zhuǎn)動(dòng)。

位置

索引脈沖可用作電機(jī)旋轉(zhuǎn)位置的參考點(diǎn)。一旦知道索引脈沖的位置，就可以對(duì)A和B輸出進(jìn)行計(jì)數(shù)，以更準(zhǔn)確地確定位置。使用100槽光學(xué)編碼器，電機(jī)軸的位置可以解析到4度以下。

使電子設(shè)備遠(yuǎn)程化

MAX3097E/MAX3098E如何適應(yīng)圖片？這個(gè)拼圖還缺少一塊。在典型的工業(yè)設(shè)置中，通常需要將所有控制電子設(shè)備放在一個(gè)中心點(diǎn)，以簡(jiǎn)化維護(hù)和接線問(wèn)題。以傳送帶系統(tǒng)為例，傳送帶可以長(zhǎng)達(dá)數(shù)百英尺，但控制電子設(shè)備通常位于機(jī)柜本地。這給設(shè)計(jì)人員帶來(lái)了一個(gè)問(wèn)題，因?yàn)槭褂眠@些系統(tǒng)的環(huán)境通常是電子噪聲的。為了降低噪聲，設(shè)計(jì)人員通常采用通過(guò)RS-485器件傳輸三編碼器信號(hào)的方法（在本文中，RS-422和RS-485可以互換使用）。RS-485是天然的，因?yàn)樗鼘?duì)噪音具有很高的抗擾度和長(zhǎng)距離行駛的能力。在典型應(yīng)用中，使用四通道驅(qū)動(dòng)器和接收器：26LS32和26LS31或類似器件，如圖3所示。

圖3.電機(jī)編碼器的典型遠(yuǎn)程安裝。

該解決方案比不使用RS-485驅(qū)動(dòng)器的系統(tǒng)更強(qiáng)大。但是，長(zhǎng)線路存在問(wèn)題，MAX3097E/MAX3098E專門設(shè)計(jì)用于解決，在26LS31和26LS32型器件上，可通過(guò)以下方式改進(jìn)：

高靜電保護(hù)

更好的共模抑制

故障識(shí)別

高靜電保護(hù)

所有器件均具有ESD保護(hù)，但MAX3097E/MAX3098E的保護(hù)電平遠(yuǎn)高于典型值：使用人體模型時(shí)為15kV。這意味著ESD事件導(dǎo)致錯(cuò)誤的可能性較小，從而導(dǎo)致電機(jī)控制器停止正常工作。ESD結(jié)構(gòu)的詳細(xì)說(shuō)明超出了本文的范圍，但更多信息可以從應(yīng)用筆記651“I/O端口的ESD保護(hù)”中獲得。

更好的共模抑制

使用電機(jī)編碼器的環(huán)境通常電氣噪聲很大。系統(tǒng)內(nèi)各種接地之間可能會(huì)出現(xiàn)共模差異。典型的RS-485器件具有-7V至+ 12V的共模抑制范圍。在MAX3097E/MAX3098E中，Maxim將這一范圍從-10V擴(kuò)展至+13.2V。

故障識(shí)別

雖然上述優(yōu)點(diǎn)很有幫助，但MAX3097E/MAX3098E的真正功率在于能夠識(shí)別和指示電機(jī)控制器μP的故障。 查看圖 4，請(qǐng)注意有五個(gè)引腳，分別標(biāo)記為 AlarmA、AlarmB、AlarmZ、AlarmD 和 Delay。這些引腳是MAX3097E/MAX3098E獨(dú)有的，為電機(jī)控制器提供發(fā)生物理線路錯(cuò)誤的信息。一旦電機(jī)控制器確定發(fā)生了錯(cuò)誤，就可以采取適當(dāng)?shù)拇胧﹣?lái)確保系統(tǒng)有序安全地關(guān)閉。

圖4.MAX3097引腳排列

AlarmA、AlarmB 和 AlarmZ 的功能相同，但指示各自導(dǎo)線上的故障。故障D輸出是三個(gè)信號(hào)的OR。此外，它還內(nèi)置了可編程延遲。此輸出應(yīng)用于全局警報(bào)。延遲是為了在信號(hào)相互交叉時(shí)阻止故障檢測(cè)器的錯(cuò)誤觸發(fā)。下面描述可以檢測(cè)的錯(cuò)誤以及如何使用MAX3097E/MAX3098E來(lái)確定發(fā)生了哪些錯(cuò)誤。

檢測(cè)過(guò)大的共模范圍

如前所述，MAX3097E/MAX3098E的共模范圍為-10V至+13.2V。雖然這明顯優(yōu)于典型RS-485器件的共模范圍（-7V至+ 12V），但仍有可能超出此范圍。如果超出典型RS-485接收器的共模輸入范圍，則不能依賴它提供正確的輸出狀態(tài)。MAX3097E/MAX3098E也是如此，但相關(guān)的報(bào)警引腳輸出將被驅(qū)動(dòng)為高電平，向處理器表明數(shù)據(jù)不可靠。參見(jiàn)圖 5。

圖5.這顯示了通道A上由于共模范圍過(guò)大而導(dǎo)致的故障報(bào)警;該故障表示此時(shí)間段內(nèi)的數(shù)據(jù)可能不可靠。

檢測(cè)開(kāi)路輸入線

對(duì)于任何電纜，電線都可能從連接器中脫落、連接器斷裂以及電纜無(wú)意中被切斷。

通常，接收器連接包含一個(gè)終端電阻來(lái)抑制反射，如圖6所示。通常的值是100Ω或120Ω，具體取決于所用連接電纜的阻抗。

圖6.接收器輸入連接。

圖6顯示了電機(jī)編碼器信號(hào)接收器的連接。由于終端電阻的存在，如果A突然斷開(kāi)，則A的電壓電平將被拉向A處的電壓電平。MAX3097E中有一個(gè)門限比較器，如果|，則使故障輸出跳閘。VA-A|< 400mV。該技術(shù)允許器件檢測(cè)其中一條線路上是否存在開(kāi)路。要使這種技術(shù)起作用，必須存在終端電阻。因此，終端電阻應(yīng)與接收器放置在同一板上，而不是連接在外部螺絲端子上，因?yàn)槎俗涌赡軙?huì)脫落。

在正常轉(zhuǎn)換期間，信號(hào) A 和 A 有一個(gè)交叉時(shí)間。這將觸發(fā)故障比較器，如|VA-A|< 400mV。為避免雜散信號(hào)，應(yīng)使用全局故障輸出（故障D）。MAX3097E/MAX3098E在故障D上具有故障消隱功能，確保輸出在故障存在固定時(shí)間段之前不會(huì)切換（用戶可通過(guò)外部電容設(shè)置）。這可確保電機(jī)控制器不會(huì)因雜散交越信號(hào)而受到不必要的中斷。

檢測(cè)短接在一起的輸入線

使用長(zhǎng)導(dǎo)線和接線端子連接，電線很容易短路在一起。由于RS-485通常通過(guò)雙絞線傳輸，因此差分信號(hào)可能會(huì)短路在一起。

這種情況與開(kāi)路的情況非常相似，因?yàn)槿绻鸄和A一起短路，電壓差將小于400mV，因此故障輸出。

圖7.檢測(cè)差分信號(hào)之間的短路。

檢測(cè)信號(hào)強(qiáng)度差

在從編碼器到控制電子設(shè)備的長(zhǎng)距離電纜上，接收端的信號(hào)可能小于RS-485和RS-422規(guī)定的200mV所需差分信號(hào)。例如，可以安裝電纜并|接收的輸入電平VA-A|安裝時(shí)可能僅大于200mV。如果隨著時(shí)間的推移，水分進(jìn)入電纜，電纜的電容會(huì)增加。因此，接收到的輸入|VA-A|將降至200mV門限以下。在這種情況下，接收到的數(shù)據(jù)不能保證，MAX3097E/MAX3098E標(biāo)記故障情況。如圖8所示，檢測(cè)電路在工作。

圖8.檢測(cè)信號(hào)強(qiáng)度差。

不同的安裝需要安全閾值或允許的最大電線長(zhǎng)度。為了滿足這兩種需求，MAX3097E和MAX3098E的信號(hào)強(qiáng)度門限不同。在MAX3097E中，低壓差分檢測(cè)以0.4V為中心，以確保小于200mV的信號(hào)被標(biāo)記為故障。在MAX3098E中，該故障門限以0.2V為中心，以確?？梢越邮盏阶钚‰娖降男盘?hào)。這兩個(gè)元件之間的選擇取決于是否需要系統(tǒng)設(shè)計(jì)發(fā)出預(yù)警（MAX3097E），或者是否需要實(shí)現(xiàn)最大距離（MAX3098E）。

審核編輯：郭婷