關于運動控制及系統 　　 應該說運動控制系統己經問世多年了，大家對此并不陌生，并在各個領域得到應用。 　　 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角色的自動控制系統，在許多高科技領域得到了非常廣泛的應用，如激光加工、機器人、數控機床、大規模集成電路制造設備、雷達和各種軍用武器隨動系統，以及柔性制造系統（FMS-Flexible Maunfacturing systm）等等。運動控制系統主要由五部分構成：被移動的機械設備、帶反饋和運動I/O的馬達（伺服或步進）、馬達驅動單元、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控制用。 圖1：為運動控制系統組成示意框圖 從圖1可見Power Drives（傳動裝置）將運動控制模塊與特定應用馬達、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Power Drives，為全部的命令集與反饋信號提供一個通道。當PowerDrive的性能不能滿足應用需要時，用戶還可選擇通用運動接口（UMI）螺絲接線端子附件，與第三方馬達和驅動器/放大器連接。 　　 因為一般盛行的解決方案均為封閉式結構系統, 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、微電子技術、計算機技術及控制原理的進步，以交流伺服電動機為執行電動機的交流伺服驅動具有了可與直流伺服驅動相比擬的特性，從而使得交流伺服電動機固有的優勢得到了充分的發揮，交流伺服驅動已成為現代伺服驅動發展的方向。 　　 而當今的應用最迫切需要可以在苛刻條件下一天24小時連續工作的、可靠耐用的工業機器人和自動機械裝置。這樣的系統要求遠比以前具有精確的電機和反饋控制，今天的大多數性能改進要歸功于新技術和微電子技術的發展。這些創新消除了機器人和自動機械裝置共用工作空間時產生的碰撞，改進了任務分配并且提高了伺服系統的精確性，從而使自動機械系統更加可靠地工作。由于運動控制芯片或模塊能為一般伺服與步進應用提供精確、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中的應用，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作分析說明。 運動控制模塊的應用—直流無刷電機伺服系統 　　 運動控制模塊要在直流無刷電機伺服系統中得到應用，它必須組成閉環的運動控制系統，這是現代的自動化系統為了完成運動控制所持有的特征。 　　 該直流無刷電機伺服系統由運動控制模塊（卡）與伺服電機、驅動器和反饋元件（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方塊圖。 圖2：運動控制模塊的應用－直流無刷伺服系統框圖 從圖2看出，該運動控制系統是含有一個直流無刷電機的伺服系統，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、高速的應用系統而言，直流無刷電機是可用的，故此處所述系統均是直流無刷電機伺服系統。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軸上，它輸出旋轉軸的位置數據信號，使由于傳動裝置和導螺桿中的齒隙（兩個或多于齒輪間的間隙）所導致的誤差而引起旋轉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（專用集成電路）。運動控制模塊為驅動器或放大器提供一個控制轉動速度和方向的信號，驅動器把它轉換為適當的電壓和電流（功率）去驅動電機運轉。這樣的運動控制模塊在直流無刷電機伺服系統中的應用就能使系統成為堅固的、具有容錯能力的運動控制反饋系統。那么如何應用？也就說是如何設計呢？. 　　■ 運動控制模塊與正交編碼器輸出之間的接口電路，即運動控制模塊的輸入電路-接收器電路，它是系統的關鍵； 　　■ 接收器印刷電路板的設計； 　　■ 正交編碼器信號電纜系統的應用。 運動控制模塊的接收電路 　　 1、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。本系統采用MAX3095型芯片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。 　　 IC1 MAX3095型芯片是一個10Mbps、5V、四通道RS-422/RS-485接收器，具有±5kV ESD保護。正交編碼器輸出6路RS-422/RS-485信號（A、A—、B、B—、INDEX和INDEX —），通過電纜傳送至運動控制模塊的接收電路MAX3095型。接收電路把RS-422信號轉換為邏輯電平信號（由于系統只有一個發送器，現設定它是RS-422信號），并把信號送至運動控制模塊或DSP或ASIC進行處理。接收電路必須對來自伺服系統的各種故障包括開路、短路、噪聲等做出反應,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。 圖3：運動控制模塊與正交編碼器輸出之間的接口電路，即典型的運動控制模塊的編碼信號輸入接收器電路。它應是運動控制模塊的一部分，這個接收電路在每條碼器輸入線上都具有檢測和ESD保護（內置于MAX3095） 為什么IC1要用MAX3095型具有±5kV ESD保護的MAX3095芯片。因為對于一個容錯系統來講，由于編碼信號輸入電路要和外部元件相連接，ESD保護是必須的。這樣省去外部ESD防護部件，可以大大減少印刷電路板的面積。從正交編碼器發出的信號通過雙絞線傳送到接收電路，每對互補信號線A、A—、或B、B—之間跨與接一個150Ω電阻提供適當的端接。當發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的動作，首先必須檢測到這些故障。作為一種失效保護措施，當輸入信號線開路時，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。當有輸入端接電阻時，它們仍需保持失效保護輸出。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。 圖4：該電路是對圖3的改進提供開路、短路和中間狀態故障所有編碼器輸入線上的ESD保護以及延遲的告警/故障輸出 2、另一種改進的電路（圖4）包含了2片IC（MAX3098），每片都包含三路RS-422/RS-485接收器。 　　 各接收器均具有內置的故障檢測、±15kV ESD（靜電釋放）保護和32Mbps的數據速率。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生故障都會立即在相應輸出發出邏輯高信號：ALARM（報警）A、ALARM（報警）B和ALARM（報警）Z。伺服系統移動緩慢時，會在正交編碼器信號的過零區域產生瞬時故障，觸發“假故障”。通過選擇電容C-延遲的值，可將ALARM（報警）D輸出（ALARM（報警）A、ALARM（報警）B和ALARM（報警）Z的邏輯或）延遲適當的時間。120Ω電阻為RS422電纜提供適當的端接。由于IC采用16引腳QSOP（四分之一外形封裝）型，僅需很少的外圍元件，因而在印刷電路板上占用的空間也很小。 接收電路印制板布局 圖5：運動控制模塊的編碼信號輸入接收電路中，具有故障檢測功能的MAX3098ERS-422/RS485三接收器的印刷電路電路的正確走線和元件位置 正確的接收電路布局要從RS-422編碼器輸入連接器開始。差分信號對A/A—、B/B—和INDEX/INDEX—必須占據連接器的相鄰引腳。這種方式可使各差分對的信號電流通路相疊相消。為保證印刷電路板上每一條走線有相同的寄生電容，每對信號線要盡量靠近、長度相同并且盡量對稱。為減小數字信號的感性和容性串擾，并降低電感，來自于連接器和接收電路的差分RS-422信號應該布置在大面積地層上，接地層通常位于印制板中間。這個接地層上不應有大電流信號流動。運動控制器電路中的高速電流切換會產生共模噪聲。使用濾波器和旁路電容有助于減小耦合到供電線路中的共模電壓。可以緊靠接收器的Vcc輸入端放置一個0.1uf的旁路電容。為減小旁路回路的電感，電容器的接地引腳應直接接到地線層,芯片的接地引腳也是一樣，應通過一個靠近的穿孔打到地。最后，為減小耦合到接收器電路中的噪聲，應避免接收器的信號線靠近功率電路。 正交編碼器信號電纜的應用 由于正交編碼器的差分信號是平衡的，因而可以在常規電纜上傳送。不過，雙絞線更好一點。雙絞線具有很低的感應耦合，在高達數兆赫茲的頻率范圍具有恒定的阻抗，特別適合于運動控制系統的高速特性。雙絞線也有助于減小輻射和接收電磁干擾（EMl）。 　　 雙絞線有屏蔽和非屏蔽兩種。非屏蔽線尺寸小、造價低、重量輕，彎曲半徑小等特點。然而，差分正交編碼器信號必須使用屏蔽線。由于屏蔽層可提供額外的EMI防護，屏蔽雙絞線具有更好的共模抑制。實際的