基于計算機的運動控制解決方案在伺服系統(tǒng)中的應(yīng)用

關(guān)于運動控制及系統(tǒng)

運動控制系統(tǒng)己經(jīng)聞世多年了在各個領(lǐng)域得到應(yīng)用。

而運動控制（包括軌跡控制、伺服控制）與順序控制、過程控制，傳動控制并列為典型的控制模式，是一直以來扮演重要支柱技術(shù)角色的自動控制系統(tǒng)，在許多高科技領(lǐng)域得到了非常廣泛的應(yīng)用，如激光加工，機器人，數(shù)控機床。大規(guī)模集成電路制造設(shè)備、雷達(dá)和各種軍用武器隨動系統(tǒng)，以及柔性制造系統(tǒng)（FMS）等。而運動控制系統(tǒng)的組成主要由五部分構(gòu)成：被移動的機械設(shè)備、帶反饋和運動I/O的馬達(dá)（伺服或步進(jìn)）、馬達(dá)驅(qū)動單元、運動控制模塊、以及編程/操作接口軟件（見圖1）所示。其運動控制芯片或模塊是作為伺服與步進(jìn)控制用。

圖1 為運動控制系統(tǒng)組成示意框圖

從圖1可見傳動裝置將運動控制模塊與特定應(yīng)用馬達(dá)、編碼器、限制器、用戶（運動）I/O連接在一起，用一根控制電纜連接運動控制模塊與傳動裝置，為全部的命令集與反饋信號提供一個通道。當(dāng)傳動裝置的性能不能滿足應(yīng)用需要時，用戶還可選擇通用運動接口（UMI）螺絲接線端子附件，與第三方馬達(dá)和驅(qū)動器/放大器連接。

因為一般盛行的的解決方案均為封閉式結(jié)構(gòu)系統(tǒng)， 所以基于計算機的運動解決方案所擁有的附加靈活性及低成本潛力使其受到普遍歡迎。

隨著功率電子技術(shù)、微電子技術(shù)、計算機技術(shù)及控制原理的進(jìn)步，以交流伺服電動機為執(zhí)行電動機的交流伺服驅(qū)動具有了可與直流伺服驅(qū)動相比擬的特性，從而使得交流伺服電動機固有的優(yōu)勢得到了充分的發(fā)揮，交流伺服驅(qū)動已成為現(xiàn)代伺服驅(qū)動發(fā)展的方向。交流伺服技術(shù)現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于數(shù)控機床，印刷包裝機械、紡織機械，自動化生產(chǎn)線等自動化領(lǐng)域。為用戶提高加工精度和工藝水平，取得良好的經(jīng)濟技術(shù)效益，提供了最佳的解決方案。

而當(dāng)今的應(yīng)用，最迫切需要可以在苛刻條件下，一天24小時連續(xù)工作的、可靠耐用的工業(yè)機器人和自動機械裝置。這樣的系統(tǒng)要求遠(yuǎn)比以前具有精確的電機和反饋控制，今天的大多數(shù)性能改進(jìn)要歸功于新技術(shù)和微電子技術(shù)的發(fā)展。這些創(chuàng)新消除了機器人和自動機械裝置共用工作空間時產(chǎn)生的碰撞，改進(jìn)了任務(wù)分配并且提高了伺服系統(tǒng)的精確性，從而使自動機械系統(tǒng)更加可靠地工作。由于運動控制芯片或模塊是能為一般伺服與步進(jìn)應(yīng)用提供精確、高性能的運動功能，故可以簡單易用的運動控制模塊、軟件、以及外設(shè)為運動和測量集成需求提供最佳集成解決方案。本文著重討論運動控制模塊在直流無刷電機伺服系統(tǒng)中的應(yīng)用， 并對其主要運動控制模塊的接收電路與正交編碼器信號電纜技術(shù)作分析說明。

運動控制模塊的應(yīng)用-直流無刷電機伺服系統(tǒng)

運動控制模塊要在直流無刷電機伺服系統(tǒng)中得到應(yīng)用，它必須組成閉環(huán)系統(tǒng)的運動控制系統(tǒng)。

該直流無刷電機伺服系統(tǒng)由運動控制模塊（卡）與伺服電機、驅(qū)動器和反饋元件（反饋用正交編碼器）組合及編程/操作接口軟件等組成。它能對于速度和位置提供精確與穩(wěn)定的控制。圖2所示為運動控制模塊組成的直流無刷電機伺服系統(tǒng)方塊圖。

圖2 用運動控制模塊與反饋速度和位置信號的正交編碼器等組成的直流無刷伺服系統(tǒng)

從圖2看出，該運動控制系統(tǒng)是含有一個直流無刷電機的伺服系統(tǒng)，而其運動控制模塊正交編碼器的接口電路，就是運動控制模塊的編碼輸入電路，即接收器電路，它接收通過反饋編碼器電纜傳送來的正交編碼器的輸出信號。

對高性能、高速的應(yīng)用系統(tǒng)而言，直流無刷電機是可用的，在此所述系統(tǒng)均是直流無刷電機伺服系統(tǒng)。這種電機的軸端裝有測定軸速和換向點的正交編碼器，用于控制電機的線圈切換順序。而第二個正交編碼器安裝在機械裝置的旋轉(zhuǎn)軸上，它輸出旋轉(zhuǎn)軸的位置數(shù)據(jù)信號，使由于傳動裝置和導(dǎo)螺桿中的齒隙（兩個或多于齒輪間的間隙）所導(dǎo)致的誤差而引起旋轉(zhuǎn)軸的位置和電機軸的位置不一致問題得到解決。

典型的運動控制模塊包含一個微處理器和一個用于處理高速編碼信號的DSP或定制ASIC。運動控制模塊為驅(qū)動器或放大器提供一個控制轉(zhuǎn)動速度和方向的信號，驅(qū)動器把它轉(zhuǎn)換為適當(dāng)?shù)碾妷汉?a href="http://wenjunhu.com/tags/電流/" target="_blank">電流去驅(qū)動電機運轉(zhuǎn)。這樣的運動控制模塊在直流無刷電機伺服系統(tǒng)中的應(yīng)用就能使糸統(tǒng)成為堅固的、具有容錯能力的運動控制反饋系統(tǒng)。該系統(tǒng)應(yīng)注意下列問題：

?運動控制模塊與正交編碼器輸出之間的接口電路;

。接收器印刷電路板的設(shè)計;

。正交編碼器信號電纜系統(tǒng)的應(yīng)用。

運動控制模塊的接收電路

運動控制模塊的編碼輸入電路-接收器電路，實際上就是運動控制模塊與正交編碼器輸出之間的接口電路。本糸統(tǒng)采用MAX3095接收器電路與正交編碼器電纜-端子電阻匹配電路組合作為其接口電路。

正交編碼器輸出6路RS-422/RS—485信號（A、 、B、B、INDEX和 ），通過電纜傳送至運動控制模塊的接收電路MAX3095。接收電路把RS-422信號轉(zhuǎn)換為邏輯電平信號，并把信號送至運動控制模塊或DSP或ASIC進(jìn)行處理。接收電路必須對來自伺服系統(tǒng)的各種故障包括開路、短路、噪聲等做出反應(yīng)，即對來正交編碼器輸出中的開路、短路、噪聲編碼信號做出反應(yīng)。

圖3 運動控制模塊與正交編碼器輸出之間的接口電路

圖3是一個典型的運動控制模塊的編碼信號輸入接收器電路（即運動控制模塊與正交編碼器輸出之間的接口電路）。

從正交編碼器發(fā)出的信號通過雙絞線傳送到接收電路，每對互補信號線A、 或B、 之間跨與接一個150Ω電阻提供適當(dāng)?shù)亩私?。?dāng)發(fā)生電纜斷裂或脫離等開路故障時，要使運動控制模塊采取適當(dāng)?shù)膭幼鳎紫缺仨?a target="_blank">檢測到這些故障。作為一種失效保護措施，當(dāng)輸入信號線開路時，MAX3095接收器會輸出邏輯高。1kΩ偏置電阻使輸入端“A”的電壓至少比輸入端“B”高200mV。當(dāng)有輸入端接電阻時，它們?nèi)孕璞３质ПＷo輸出。這個電路具有ESD防護、開路檢測和輸出短路保護，但不能檢測輸人短路。

另一種改進(jìn)的電路（圖4）包含了2片MAX3098，每片都包含三路RS—422/RS-485接收器。

圖4 圖3的改造電路

各接收器均具有內(nèi)置的故障檢測、±15kV ESD（靜電釋放）保護和32Mbps的數(shù)據(jù)速率。而MAX3098E能檢測接收器輸入開路和短路故障，也能檢測低電壓差分信號和共模范圍超限等其它故障。它的邏輯電平輸出能夠指示哪一路接收器輸入發(fā)生了故障。這種直接的故障報告降低了軟件開銷，并將外部邏輯元件減到最少。

任何一路正交編碼器輸出即控制模塊的編碼輸入發(fā)生故障都會立即在相應(yīng)輸出發(fā)出邏輯高信號：ALARM A、ALARM B和ALARM Z。伺服系統(tǒng)移動緩慢時，會在正交編碼器信號的過零區(qū)域產(chǎn)生瞬時故障，觸發(fā)“假故障”。通過選擇電容C-延遲的值，可將ALARM D輸出（ALARM A、ALARM B和ALARM Z的邏輯或）延遲適當(dāng)?shù)臅r間。120Ω電阻為RS422電纜提供適當(dāng)?shù)亩私印?/p>

關(guān)于反饋編碼器

由于為實現(xiàn)精確定位，伺服系統(tǒng)必須有一個反饋信號使反饋形成閉環(huán)。而能提供這種反饋信號的裝置包括光電編碼器、旋轉(zhuǎn)變壓器和正交磁致伸縮線性位移傳感器。

光電編碼器輸出一個數(shù)字方波信號，包括正交（增量）型、絕對值型和偽隨機型。一個典型的光電編碼器包括光發(fā)射器、光接收器、輸出原始模擬信號的編碼輪。模擬信號被送至編碼器的處理電路，轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號輸出。信號輸出方式有集電極開路輸出和單端輸出，邏輯電平為5V至24V。為了降低噪聲干擾，最可靠的輸出是互補、差分的RS-422。正交光電編碼器輸出的反饋信號有A、B、Z三種形式的脈沖。信號A和B來自編碼器碼輪并具有90o的相差。當(dāng)A超前于B時，表明編碼器是順時針旋轉(zhuǎn)的，反之，編碼器為逆時針旋轉(zhuǎn)。因而由這兩個信號就可得到位置、方向和速度數(shù)據(jù)。信號Z表示電機轉(zhuǎn)子的位置和編碼器的軸是否轉(zhuǎn)過360o。它還能校驗信號A和B的誤算。采用 RS-422接口時， 編碼器提供互補的A、B和Z輸出。

絕對光電編碼器采用的信號處理部件與正交光電編碼器相似，只是它在每旋轉(zhuǎn)一周時輸出一個并行二進(jìn)制字。一般是十二至十三位的BCD、格雷或自然二進(jìn)制碼，13位輸出只用于低頻響應(yīng)（1200轉(zhuǎn)/分輸出12位;600轉(zhuǎn)/分輸出13位），但每轉(zhuǎn)360o具有更精細(xì)的分辨率。這種類型的編碼器很適于監(jiān)測上電和掉電期間的軸的位置，因為和正交編碼器不同的是，在編碼器沒有移動時，軸的位置也可通過編碼輸出讀得。

新型的偽隨機光電編碼器輸出3個信號：A和B給出了方向和空間同步信號，另一個信號給出位置數(shù)據(jù)這種編碼器需要有1o到2o旋轉(zhuǎn)才能確定位置。

旋轉(zhuǎn)變壓器是具有正弦和余弦信號輸出的反饋編碼器，通過伺服系統(tǒng)控制器的處理，可以從中獲得速度和位置數(shù)據(jù)。當(dāng)軸旋轉(zhuǎn)時，旋轉(zhuǎn)變壓器的反饋信號能夠提供絕對位置信息，但其低速性能較差。這種編碼器的主要缺點是將信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號時，要對信號進(jìn)行必要的處理，造價相對較高。

正交型磁致伸縮線性位移傳感器（LDT）是用來測量直線移動的反饋編碼器/傳感器，不適用于轉(zhuǎn)動位置測量。它的工作原理是：LDT的線性位移桿帶動磁鐵的移動，磁鐵作用于磁致伸縮導(dǎo)線，產(chǎn)生一個電流脈沖信號，再由一個拾取傳感據(jù)檢測這個脈沖信號-模擬位置信號。最后由LDT對它進(jìn)行處理，轉(zhuǎn)換為和正交編碼器相似的數(shù)字輸出信號A，B、和Z.

結(jié)語

直流無刷電機伺服系統(tǒng)是一個堅固的具有容錯能力的運動反饋控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)的接收電路必須對產(chǎn)生的各種故障做出預(yù)知的反應(yīng)，為了預(yù)防編碼器數(shù)據(jù)的噪聲問題，還要合理地設(shè)計接收器電路的印刷電路板。應(yīng)用時也要考慮正交編碼器的信號電纜系統(tǒng)，包括接收器電路的端接。有了這些預(yù)防措施，就可以用設(shè)計出性能穩(wěn)定、故障期間具有預(yù)知狀態(tài)的運動控制反饋系統(tǒng)。