增強(qiáng)電機(jī)控制編碼器應(yīng)用的通信可靠性和性能　

作者 Jens Sorenson Richard Anslow ADI公司

　　Jens Sorensen，ADI公司系統(tǒng)應(yīng)用工程師，負(fù)責(zé)工業(yè)應(yīng)用的電機(jī)控制解決方案，研究方向：控制算法、電源電子和控制處理器;Richard Anslow，ADI公司產(chǎn)品應(yīng)用工程師，負(fù)責(zé)工業(yè)應(yīng)用隔離接口解決方案，研究方向：工業(yè)自動(dòng)化、能源和軍事航空航天應(yīng)用的通信接口與隔離魯棒性。

摘要：重點(diǎn)闡述了采用ADI公司50 Mbps(25 MHz)ADM3065E RS-485收發(fā)器和ADSP-CM40x混合信號(hào)控制處理器的電機(jī)控制應(yīng)用。

0 引言

　　旋轉(zhuǎn)編碼器廣泛用于工業(yè)自動(dòng)化系統(tǒng)中。此類編碼器的典型應(yīng)用是電力機(jī)械，其中編碼器連接到旋轉(zhuǎn)軸，從而向控制系統(tǒng)提供反饋。雖然編碼器的主要用途是角度位置和速度測(cè)量，但系統(tǒng)診斷和參數(shù)配置等其他特性也很常見。圖1顯示了一個(gè)電機(jī)控制信號(hào)鏈，其利用RS-485收發(fā)器和微處理器連接絕對(duì)編碼器(ABS編碼器)從機(jī)和工業(yè)伺服驅(qū)動(dòng)器主機(jī)，以實(shí)現(xiàn)對(duì)交流電機(jī)的閉環(huán)控制。

　　伺服驅(qū)動(dòng)器和ABS編碼器之間的RS-485通信鏈路通常要求最高達(dá)16 MHz的高數(shù)據(jù)速率和低傳播延遲時(shí)序規(guī)格。RS-485線纜延伸長度最大值通常是50 m，但有時(shí)候也可能長達(dá)150 m。對(duì)數(shù)據(jù)通信而言，電機(jī)控制編碼器應(yīng)用是具有挑戰(zhàn)性的環(huán)境，因?yàn)殡姎庠肼暫烷L電纜會(huì)影響RS-485信號(hào)傳輸?shù)耐暾浴?/p>

　　ADM3065E RS-485收發(fā)器設(shè)計(jì)用于在電機(jī)控制編碼器之類惡劣環(huán)境中可靠地工作，并且具備增強(qiáng)的抗擾度和(IEC) 61000-4-2 ESD(靜電放電)魯棒性。

1 抗擾度

　　RS-485信號(hào)傳輸是平衡的差分式傳輸，本身便能抗干擾。系統(tǒng)噪聲均等地耦合到RS-485雙絞線電纜中的每條導(dǎo)線。一個(gè)信號(hào)的發(fā)射與另一個(gè)信號(hào)相反，耦合到RS-485總線的電磁場(chǎng)彼此抵消。這降低了系統(tǒng)的電磁干擾(EMI)。此外，ADM3065E增強(qiáng)的2.1 V驅(qū)動(dòng)強(qiáng)度支持在通信中實(shí)現(xiàn)更高的信噪比(SNR)。給ADM3065E增加信號(hào)隔離可利用ADuM141D輕松實(shí)現(xiàn)。ADuM141D是一款采用ADI公司iCoupler?技術(shù)的四通道數(shù)字隔離器。ADuM141D的工作數(shù)據(jù)速率最高可達(dá)150 Mbps，因此它適合與50 Mbps ADM3065E RS-485收發(fā)器一起工作(如圖2)。直接功率注入(DPI)法測(cè)量器件抑制注入到電源或輸入引腳的噪聲的能力。ADuM141D采用的隔離技術(shù)已通過測(cè)試，符合DPI IEC 62132-4標(biāo)準(zhǔn)。ADuM141D抗擾度性能超過同類產(chǎn)品。ADuM141D在整個(gè)頻率范圍內(nèi)保持了出色的性能，而其他隔離產(chǎn)品在200 MHz至700 MHz頻段出現(xiàn)位錯(cuò)誤。

2 IEC 61000-4-2 ESD性能

　　編碼器到電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的裸露RS-485連接器和線纜上的ESD是一個(gè)常見系統(tǒng)危險(xiǎn)因素。與變速電力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的EMC抗擾度要求相關(guān)的系統(tǒng)級(jí)IEC 61800-3標(biāo)準(zhǔn)，要求最低±4 kV(接觸)/±8 kV(空氣)的IEC 61000-4-2 ESD保護(hù)。ADM3065E超過了這一要求，提供±12 kV(接觸)/±12 kV(空氣)的IEC 61000-4-2 ESD保護(hù)。圖3所示為IEC 61000-4-2標(biāo)準(zhǔn)中的8 KV接觸放電電流波形與人體模型(HBM) ESD 8 KV波形的對(duì)比。從圖4中可以看出，兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的波形形狀和峰值電流是不同的。與IEC 61000-4-2 8 kV脈沖關(guān)聯(lián)的峰值電流為30 A，相應(yīng)的HBM ESD峰值電流比該數(shù)值的五分之一還小，為5.33 A。另一差異為初始電壓尖峰的上升時(shí)間，對(duì)于IEC 61000-4-2 ESD，上升時(shí)間為1 ns，相較于與HBM ESD波形關(guān)聯(lián)的10 ns時(shí)間要快得多。與IEC ESD波形關(guān)聯(lián)的功率值顯著大于HBMESD波形的相應(yīng)值。HBM ESD標(biāo)準(zhǔn)要求待測(cè)設(shè)備(EUT)經(jīng)受3次正放電和3次負(fù)放電，而IEC ESD標(biāo)準(zhǔn)則要求10次正放電和10次負(fù)放電測(cè)試。與標(biāo)稱多種HBM ESD保護(hù)級(jí)別的其他RS-485收發(fā)器相比，具有IEC 61000-4-2 ESD額定值的ADM3065E更適合在惡劣環(huán)境中工作。

3 EnDat通信協(xié)議

　　編碼器使用的通信協(xié)議有很多種，例如EnDat、BiSS、HIPERFACE和Tamagawa。盡管有區(qū)別，但編碼器通信協(xié)議在實(shí)現(xiàn)方面具有相似點(diǎn)。這些協(xié)議的接口是串行雙向管道，符合RS-422或RS-485電氣規(guī)范。雖然硬件層有相同之處，但運(yùn)行每種協(xié)議所需的軟件是獨(dú)一無二的。通信堆棧和所需的應(yīng)用程序代碼均特定于協(xié)議。本文主要說明EnDat 2.2接口主機(jī)側(cè)的硬件和軟件實(shí)現(xiàn)。

4 延遲影響

　　延遲分為兩類：第一類是電纜的傳輸延遲，第二類是收發(fā)器的傳播延遲。電纜延遲由光速和電纜的電介質(zhì)常數(shù)決定，典型值為6 ns/m至10 ns/m。當(dāng)總延遲超過半時(shí)鐘周期時(shí)，主機(jī)和從機(jī)之間的通信就會(huì)出故障。對(duì)此，設(shè)計(jì)人員有如下選擇：

　　1) 降低數(shù)據(jù)速率;

　　2) 減小傳播延遲;

　　3)在主機(jī)側(cè)提供延遲補(bǔ)償。

　　選項(xiàng)3可同時(shí)補(bǔ)償電纜延遲和收發(fā)器延遲，因此是確保系統(tǒng)能以高時(shí)鐘速率通過長電纜運(yùn)行的有效辦法。缺點(diǎn)是延遲補(bǔ)償會(huì)增加系統(tǒng)的復(fù)雜性。在延遲補(bǔ)償不可行的系統(tǒng)中，或在電纜較短的系統(tǒng)中，使用傳播延遲短的收發(fā)器具有明顯的優(yōu)勢(shì)。低傳播延遲使得時(shí)鐘速率可以更高，而且不必在系統(tǒng)中引入延遲補(bǔ)償。

5 主機(jī)實(shí)現(xiàn)

　　主機(jī)實(shí)現(xiàn)包括串行端口和通信堆棧。編碼器協(xié)議并不兼容標(biāo)準(zhǔn)端口(例如UART)，故無法使用大多數(shù)通用微控制器上的外設(shè)。不過，利用FPGA的可編程邏輯可以在硬件中實(shí)現(xiàn)專用通信端口，并支持延遲補(bǔ)償?shù)雀呒?jí)特性。FPGA方法雖然很靈活，可以針對(duì)具體應(yīng)用進(jìn)行定制，但也有缺點(diǎn)。與處理器相比，F(xiàn)PGA成本高，功耗大，而且上市時(shí)間長。

　　本文討論的EnDat接口是在ADI公司的ADSP-CM40x上實(shí)現(xiàn)，后者是一款針對(duì)電機(jī)控制驅(qū)動(dòng)器而開發(fā)的處理器。除了脈寬調(diào)制器(PWM)定時(shí)器、模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)和sinc濾波器等用于電機(jī)控制的外設(shè)以外，ADSP-CM40x還有高度靈活的串行端口(SPORT)。

　　這些SPORT可以仿真多種協(xié)議，包括EnDat和BiSS等編碼器協(xié)議。由于ADSP-CM40x的外設(shè)很豐富，所以它不僅能執(zhí)行高級(jí)電機(jī)控制，而且能與編碼器接口。換言之，無需使用FPGA。

6 測(cè)試設(shè)置

　　EnDat 2.2測(cè)試設(shè)置如圖4所示。EnDat從機(jī)是Kollmorgen的一款標(biāo)準(zhǔn)伺服電機(jī)(AKM22)，EnDat編碼器(ENC1113)安裝在軸上。三對(duì)線(數(shù)據(jù)、時(shí)鐘和電源線)將編碼器連接到收發(fā)器板。EnDat PHY上有兩個(gè)收發(fā)器和用于編碼器的電源。一個(gè)收發(fā)器用于時(shí)鐘，另一個(gè)收發(fā)器用于數(shù)據(jù)線路。EnDat主機(jī)由ADSP-CM40x結(jié)合標(biāo)準(zhǔn)外設(shè)和軟件而實(shí)現(xiàn)。發(fā)送端口和接收端口均利用靈活的SPORT實(shí)現(xiàn)。

　　EnDat協(xié)議包括多種長度不同的幀，不過這些幀全都基于相同序列，如圖5所示。首先，主機(jī)發(fā)送命令至從機(jī)，然后從機(jī)處理命令并執(zhí)行必要的計(jì)算。最后，從機(jī)將結(jié)果送回主機(jī)。

　　發(fā)送時(shí)鐘(Tx CLK)由處理器ADSP-CM40x產(chǎn)生。由于系統(tǒng)延遲，來自編碼器的數(shù)據(jù)在返回處理器之前會(huì)與發(fā)送時(shí)鐘錯(cuò)相。為補(bǔ)償傳輸延遲tDELAY，處理器還會(huì)產(chǎn)生一個(gè)接收時(shí)鐘(Rx CLK)，它比發(fā)送時(shí)鐘延遲tDELAY。讓接收時(shí)鐘與自從機(jī)收到的數(shù)據(jù)同相是補(bǔ)償傳輸延遲的有效辦法。

　　來自處理器的時(shí)鐘信號(hào)是連續(xù)的，而EnDat協(xié)議規(guī)定，時(shí)鐘只能在通信期間施加于編碼器。在所有其他時(shí)候，時(shí)鐘線路必須保持高電平。為此，處理器產(chǎn)生一個(gè)時(shí)鐘使能信號(hào)CLK EN，其被送至ADM3065E數(shù)據(jù)使能引腳。恰好兩個(gè)時(shí)鐘周期(2T)之后，主機(jī)開始在Tx DATA上發(fā)出命令。

　　命令有6位長，隨后是兩個(gè)0位。為了控制收發(fā)器的數(shù)據(jù)方向，處理器在傳輸時(shí)將Tx/Rx EN位置1。

　　在從機(jī)準(zhǔn)備響應(yīng)的同時(shí)，系統(tǒng)進(jìn)入等待狀態(tài)，主機(jī)繼續(xù)施加時(shí)鐘，但數(shù)據(jù)線無效。當(dāng)從機(jī)準(zhǔn)備就緒時(shí)，數(shù)據(jù)線接收數(shù)據(jù)被拉高，然后立即發(fā)送響應(yīng)。收到n位響應(yīng)之后，主機(jī)將CLK EN信號(hào)設(shè)為低電平以停止時(shí)鐘。與此同時(shí)，ENC CLK信號(hào)變?yōu)楦唠娖?。?shù)據(jù)流為半雙工式， ENC數(shù)據(jù)圖為畫在一起的收發(fā)數(shù)據(jù)流。

7 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

　　圖6顯示了EnDat系統(tǒng)的測(cè)試結(jié)果。測(cè)試使用的時(shí)鐘頻率為8 MHz，延遲補(bǔ)償通過接收時(shí)鐘相移實(shí)現(xiàn)。底部信號(hào)是來自EnDat主機(jī)的命令。此處顯示的命令為“發(fā)送位置”，其前面是兩個(gè)0，接著是六個(gè)1，最后又是兩個(gè)0。該命令總共有10位。編碼器的響應(yīng)是從頂部起的第三個(gè)信號(hào)。合并數(shù)據(jù)線是從頂部起的第二個(gè)信號(hào)。最后，頂部信號(hào)是施加于編碼器的時(shí)鐘。

　　本文來源于《電子產(chǎn)品世界》2018年第5期第67頁，歡迎您寫論文時(shí)引用，并注明出處。