将 RS-485 用于数字发动机控制应用

I. 简介 数字发动机控制采用数字处理器来控制电动机的运转。一般情况下数字处理器可采用一种或多种反馈方式，使其构成一个闭环系统。这可比作模拟控制系统和开环传动系统。 许多应用都采用了数字发动机控制，包括存储设备（如：磁盘驱动器）、工业机器人、高精度半导体制造、打印机以及复印机等。 图1 ：数字发动机控制框图 a. 发动机设备 数字发动机控制可采用多种类型的发动机。最常用的类型是超小功率旋转发动机。它们可以进一步分为AC、DC电刷或DC无电刷型，这主要取决于其整流方式。小型发动机的尺寸设计一般取决于框架尺寸和瓦功率。而一般像 AC 型这样较大的发动机，是根据其马力功率进行分类的。尽管旋转发动机是最常用的类型，但也可获得其他类型，如：线性发动机以及带各种传动装置的减速发动机（gearhead motor）。 图 2：旋转发动机 b. 反馈 为提供有关位置、速度、扭矩或传动系统其他动力属性的反馈，需要具备反馈传感器。最常用的反馈传感器可能是旋转编码器，它是由安装在发动机轴上、带有变化条带的转轮构成的。在发动机转动时，光传感器会检测条带的经过并生成电信号，控制器可利用这些信号来确定发动机的转动情况。其他类型的传感器为转速计、同步器和分解器，这些均是基于电感的传感器；另外还有基于电磁的霍尔效应传感器以及基于电阻的电位计。 无论采用哪种传感器方式，数字控制器必须重复采样传感器信号，以便不断了解系统的当前动力运转情况。根据系统对速度、动力响应及精度的要求，反馈采样率可超过每秒几千次采样。 c. 控制器 无论是数字控制器还是模拟控制器，都需要与系统的预定转动和实际动力进行比较，同时处理相关输入，来产生对传动装置的控制信号。如果采用数字控制器，会需要一些附加任务，包括系统启动例程、诊断程序、通信控制以及多个采样传感器。 数字控制器可能像专用计算机处理器般复杂，也可能如单芯片编程门阵列般简单。设计人员不仅可设计出具有为传动控制而优化的功能的数字信号处理器，还可设计出具有可变功能的微控制器，以便实现适应众多应用的最佳解决方案。请参见 www.ti.com 上的"数字控制"部分。 d. 数据传输 本节将重点讨论在发动机控制和传动控制应用中采用 RS-485 的优势。如下所述，该技术在与抗扰性、广泛的共模范围、充足的数据速率以及多点功能有关的这些应用中具有众多优势。其他应用也采用 RS-485 信令，以期利用这些相同优势。因此，诸如过程控制网络、工业自动化、远程终端、建筑自动化和安全系统等应用均广泛采用了RS-485，以便满足对强大可靠的远距离数据传输的需要。通常 RS-485 信令与 Profibus、Interbus、Modbus 或 BACnet 一起使用，这些协议都是针对最终用户的特殊需求而量身定做的。 如果 R-485 的优势不足以满足需求，还可以采用其他信令技术。例如，RS-232 或 RS-422 信令技术在某些应用中可能是非常适用的，而在另外一些应用中可能会首选CAN（控制器局域网）或 EtherNet/IP（行业协议），因为它们可与现有网络进行兼容。对于高速应用以及对长途及共模电压要求不高的情况，M-LVDS可提供较低的功耗。在 www.ti.com 上的应用手册"总线方案对比"中讨论了多种替代方法。 e. 基本拓扑 在所示的传动控制应用示例中，需要特别注意多个不同接口的数据传输问题。下表说明了信号的多种分类并总结了信令速度和信号电平的关键特性。 表1：典型传动控制系统中的信号 信号 说明 典型速度 典型电平 传动指令 数字（脉冲或二进制编码） 可达 10Mbps TTL 或 CMOS 逻辑 模拟 达到系统的伺服带宽 10V 典型范围 传动反馈 数字（脉冲或二进制编码） 可达 10Mbps TTL 或 CMOS 逻辑 位置反馈 同步器、分解器（正弦） 可达 10kHz >20Vac 编码器、数字输出（A、B 及索引脉冲） 可达 10Mbps（内插之后） TTL 或 CMOS 逻辑 驱动电压 发动机线圈电压，1～3相 如果是 DC 或AC，则可达 1kHz；如果是PWM，则可达 100kHz 可达 200V，取决于发动机功率和绕组 整流信号 二进制信号，通常为3相，用于根据绕组位置来确定发动机的整流 可达 3kHz TTL或CMOS 逻辑 工具／负载指令 专用指令信号，通常与运动轨迹保持一致 专用的 专用的 传动装置限制／状态 限位开关、连锁装置、自动寻的传感器（homing sensor），等 可达 1 kHz TTL、CMOS 或 DC，可达 24V 该表显示了任何数据传输方案都必须具有广泛的操作范围，以便适应各种数字传动控制需要。RS-485信令技术由于速率范围介于 DC～10MHz 以上，并且具有强大可靠的信号电平，因此可很好地满足大多要求。图3显示了这些信号。请注意：该图显示了单轴系统；多轴系统可共享相同的控制器并把相关机构（mechanics）连接到相同的工具或负载上。 图3：发动机控制系统中的接口（单轴） 根据特定应用的物理安排，控制器、伺服放大器、发动机和负载之间可能会有比较大的距离。除了距离之外，在设计这些系统时还应该考虑其他因素，如：电气噪声、温度和线缆故障等。尽管存在距离或环境条件干扰，但有效数据传输的目的仍是在这些部件之间提供可靠通信。 II. 数据传输问题与485的应对方法 数字传动控制应用对在实现系统部件之间有效、可靠的通信方面面临众多挑战。根据其内在性质，这会涉及到机电传动装置，而这种装置会产生电气噪声及较高的电流电平。安全性和可靠性进一步要求通信通道必须非常可靠，以便控制运动机构。另外与运动应用相伴而来的还有对线缆路由的限制，这需要更长的布线。伺服系统的稳定性对信令速率也有额外要求。 a. 环境 i. EMI/抗扰性 电磁干扰（EMI）会破坏发动机控制系统中的信号。典型的EMI源是发动机驱动电压、发动机电刷噪声、工具源、以及来自时钟、显示器和其他计算机组件的电气噪声。在模拟系统中，噪声信号可能会造成有害的运动或不稳定性。由于二进制编码的内在信噪比，数字系统的主要问题是寄生脉冲，这可能会被解释成指令或反馈信号。 RS-485 信令标准包含了非常适于解决这些 EMI 问题的功能。RS-485 信令具有平衡及差分的特点，一般通过双绞线进行传输。它会导致任何电气噪声都会被等同连接到两条线路上。因此，由于接收器对差分电压很敏感，这种噪声会被消除，而电压差会继续携带该信号信息。 RS-485 信号电平进行了定义，因此对于任何有源驱动器，一条线路为高电平驱动，另一条为低电平驱动。两条线路上的电压差必须高于 1.5V 或者低于 -1.5V，以便传输有效状态。这适用于所有有效负载条件。 接收器规格对于EMI噪声消除极其重要。485标准要求在接收差分信号强度达到200mV以上时对有效状态进行检测。这种灵敏度可以弥补线缆中的损耗，而这种损耗会在驱动器端将信号幅度降至1.5V以下（或更低）。 接收器磁滞虽然在485标准中未予以规定，但也非常重要，它是低电平到高电平以及高电平到低电平传输阈值之间的差分。 图4：具有及没有磁滞的接收器功能 因为不存在完美平衡的线对，因此 EMI 源会产生以下差分噪声。如果没有接收器磁滞，无论是由于有效信号改变还是噪声响应，接收器均会在每次输入交叉（0差分电压）时改变状态。因此，需要磁滞来避免寄生脉冲，在空闲总线或过渡期间更是如此。这些寄生脉冲会被解释成编码器计数、阶跃指令（step command）或传动装置信号，其取决于它们在系统中出现的位置。接收器磁滞值越高就越能抵抗EMI噪声。一般RS-485接收器的磁滞为40～60mV，而磁滞达到100mV的接收器可应对尤为恶劣的电气噪声环境，如：数字发动机控制。 图5：磁滞可消除寄生过渡 ii. 接地电势／共模 另一个可影响传动控制应用中通信的电气挑战是驱动器与接收器节点之间的接地参考参考。电流负载（如：高功率工具可能产生的电流负载）会造成这类问题。由于发动机反向 EMI、设备故障以及附近闪电产生的二次浪涌（secondary surge），会出现局部电压浪涌。 通过示例可说明在传动控制应用中如何会出现接地偏移。设想一个典型的发动机与放大器／控制器，它们采用一定长度的线缆相互连接来进行通信并提供电源。 如果节点1与2之间的 24V 电源采用50米 14 AWG 线缆连接的话，则RCOPPER 大约为 0.5Ohm。在正常操作中，发动机电流低于 2A。但是在失速故障（stall fault）情况下，电流可能激增到 10A。由于接地线上的压降，这会导致 GND1 与 GND2 之间 5V 的压差。因此，任何引用 GND1 的信号在节点2被接收到时都会出现 -5V 的偏移。由于所有信号都会受到普通偏移的影响，因此其称为共模电压偏移。 尽管这种情况会阻止与单端数据传输之间的可靠通信，但 5V 接地偏移仍处于标准 RS-485 共模电压 (VCM) 范围之内。由于节点1的差分信号进行了同等偏移，因此差模信号仍然有效，而 RS-485 接收器也将可靠地接收正确的信号。 图6：带有接地电势偏移的系统 TI 的所有RS-485收发器均可满足或超出可在介于-7～12V共模电压范围内操作的 TIA/EIA-485标准要求。对于更宽VCM范围的操作，诸如 SN65HCD22 的新产品将在-20V～25V的共模范围内操作。 iii. ESD 静电放电 (ESD) 对于通过线缆连接的所有电路都是非常危险的，其可能导致产生处理或外部高电压。诸如 JEDEC 人体模型 (HBM) 与IEC ESD 抗扰性测试 (IEC 61000-4-2) 等各种测试方法可用于模拟差分ESD危险。某些收发器具有集成到总线电路中的 ESD 保护功能。 典型的保护电平为 8kV～15kV，而诸如 SN65LBC184 的某些收发器可提供超过30kV的事件保护。任何特定应用所需的保护电平很难进行预测，但设计人员应考虑以下因素： 收发器所处的电气环境 处理条件与线缆接入频率 确定故障点的诊断程序 替换停机时间以及相关的人力费用 另一类电气危险是由于瞬态（浪涌）过压造成的损害。由击穿次级电源变压器的闪电或者由机器故障导致的局部电源故障会造成这类事件。IEC61000-4-5 中规定了这种危险类型的测试方法。一般通过添加外部保护二极管来提供这种能量消散的安全通道。带有集成瞬态电压抑制电路的 SN65LBC184 能够保护浪涌电压电源超过 400W 的总线输入。 iv. 一般强度 其他考虑因素与发动机控制应用的苛刻环境有关。对于高功率及工业应用来说，需要具备温度范围较大的性能。TI 提供了专门用于商业、工业、汽车和军事温度范围的 RS-485 收发器。 另一个问题是收发器的电源及电源容限。TI 认识到高电流发动机应用可能会在电源中产生压降，因此，TI 提供了一套精选的收发器，它们能够满足电源中5％或10％变化的完整性能规格。在大多情况下，即使在更大的电源变化范围内，RS-485 收发器也能运行，但是它可能无法满足所有参数规格。收发器选项包括 5V 与 3.3V 电源的产品。 b. 速度 i. 反馈环路延迟 工程师在设计数字发动机控制的通信时应考虑通信部件是否会明显增加伺服环路的延迟。一般来说，与RS-485数据传输相关的传播延迟在典型系统中可以忽略。通信延迟可分为： 收发器与介质的传播延迟 信令速率（同步）延迟 由编码增加的开销 ii. 传播延迟（线缆传输延迟，收发器延迟……） 收发器与介质的传播延迟主要是通过半导体器件及铜线传输电信号的物理过程造成的。收发器的典型传播延迟为10到100毫微秒量级。诸如 RS-485 的双绞线等线缆的传播延迟一般为每米5毫微秒。 相比而言，可想象一下具有 10 kHz 伺服带宽的高性能系统。因此，即使是速度非常快的系统，1微秒（1000毫微米）的收发器延迟也只是对应不到4度的相移。对于长度不到100米的线缆，由线缆延迟造成的附加相移也可以忽略不计。 iii. 信令速率 如果数据传输达到一旦数据可用就能够收发时，那么信令速率一般只受数据源的限制，而不受数据传输链的限制。例如，一旦检测到运动就异步发送脉冲的编码器。旋转编码器可以产生每转8192个、甚至32000个计数，其速率超过每秒一百万个计数。如果直接与收发器相连，不到1微秒就可将这些脉冲发送出去，而其对系统造成的延迟一般可以忽略。但是，如果控制器同步对收发器定时，则信令速率将会大大降低，同时会限制系统的性能。典型的同步信令速率为 9600bps、19200bps、115kbps 等。系统设计人员应该考虑这种信令速率对数据传输时间以及系统性能的影响。 iv. 串行通信更大的有效负载 除了传播延迟和同步信令延迟之外，与数据协议相关的编码格式也会造成延迟。出于多种原因，在数据传输方案中可能结合了编码。其中一个原因是提供错误检测方式。典型的示例是常用于验证每组8个数据位保真度的奇偶校验位。另一个示例是用于指示消息开始与结束的起始位与停止位。如果数据源具备足够复杂性来支持这些单元，诸如指令／状态代码等说明位也可以构成消息协议的一部分。 这些增加的位可为传输方案提供附加功能，但还需要传输及解码时间。因此，系统设计人员在设置系统速度要求及信令速率时必须要保证为这些"开销"位提供裕度。例如，假设一个应用带有通过三个8位字方式提供绝对位置数据的编码器。凭借 9600bps 的信令速率，反馈速度可达到每秒400个位置。但是，如果消息协议需要每条信息8个附加位（用于确定最高位字、起始位、停止位、奇偶校验位等），则有效更新速率会降低至每秒200次位置更新。 c. 多点拓扑 另一个应考虑问题的是是否有两个以上的节点在同一总线上进行通信。如果一个节点向多个接收器发送数据，则这称为多点配置。如果多个节点中的任何一个都可以控制总线并向其他节点发送数据，则这称为多点结构。当然，随着系统复杂性的增加，信令协议必须包含可确定哪个节点何时发送数据的程序。这可以避免总线争用，此时两个收发器会彼此争着设置总线电压。为安全起见，RS-485标准还要求每个收发器包含防止总线争用造成损害的保护功能。这就是说，如果两个驱动器出现相反的有源状态时，则两者均不会因为争用共享总线上的电压电平而遭受损害。 利用 RS-485 信令技术，在多点分配中可将32个节点（或者如果采用更低单元负载的收发器，可达到256个节点）连接到相同的双绞线线缆上。这可简化多轴、多传感器系统中的布线。 所选的信令速率应足够高，以便允许所有节点都能够满足各自的更新要求。TIA/EIA-485 标准建议信令速率为 10Mbps。虽然这种速率已经完全满足大多系统的需要，但某些收发器为满足最苛刻高速系统的需求，具有可提供超过 30Mbps 信令速率的能力。 多个标准协议均采用了基于 RS-485 的信令技术。这些协议可实施各种方法来设置消息格式，检查错误，进行多点总线控制及协商信令速率。发动机与传动控制常用的协议包括Modbus、Profibus 及 Interbus-S。每种协议均由不同厂商及商业机构所支持，并且专门针对不同网络条件而进行优化。 III. 应用示例 a. 到高性能伺服驱动器的阶跃与方向指令 由于时间限制删除了这部分内容 b. 来自高分辨率增量式编码器的编码器反馈信号 在图7的应用示例中，RS-485信令技术用于向传动控制器报告编码器信息。将传动控制器放置到离编码器一定距离的地方非常必要，这主要是因为空间的限制或者出于轻松接入控制器的需要。 在此示例中有4个点对点配置信号，因此需要一个四通道驱动器与一个四通道接收器。在总线的接收端需要一个终端电阻，以匹配线缆阻抗并从而消除信号反射。最佳驱动器和接收器芯片的选择将取决于多个因素： 编码器到控制器的距离 发动机的最大转速 内插因子，可决定编码器分辨率 ESD 保护、功耗及成本等要求 图7：典型应用，编码器反馈信号 IV. 结论 RS-485 信令提供了可应对众多数字发动机控制通信挑战的解决方案。 它克服了具有高驱动器输出电压及高接收器磁滞的电气噪声。 对于远距离情况，强大的差分驱动器与广泛的共模功能可确保可靠的信号发送。 作为集成功能提供 ESD 保护与抗浪涌性；它们可提高在苛刻环境中的可靠性。 RS-485 信令可提供足够快的速度，这样即使在具有差错检查及协议开销负载的情况下，对伺服性能的影响也会微乎其微。 在多点架构中运行的功能可使RS-485成为高级联网应用的灵活、可扩展方案。 总之，适当的信令速率、强大可靠的功能以及广泛的精选收发器使这种技术能够非常好地适应大多数数字传动控制应用。 Clark Kinnaird是一名系统工程师，目前就职于达拉斯德州仪器高性能模拟部门。他负责设计新型数据传输产品，其中包括RS-485和CAN收发器。此外，他还为设计人员提供系统分析、电气设计和详细实验室测试支持。Clark Kinnaird还在南卫理工会大学 (SMUP) 教授电气工程课程。 Clark Kinnaird于1999年获得SMU的电气工程博士学位。另外，他还拥有电气工程硕士学位和核工程学士学位。Kinnaird博士在多个领域已经获得和正在申请多项专利，并当选为Eta Kappa Nu和Phi Kappa Phi协会荣誉会员。Clark Kinnaird也是IEEE会员，并且是德克萨斯州注册职业工程师。 参考书目： 《ANSI TIA/EIA-485：用于平衡数字多点系统的发电机和接收机电气特性》，《全球工程设计文件》中提供，www.global.ihs.com 《TIA/EIA-485（RS-485）的接口电路》，《德州仪器应用记录SLLA036》 www.ti.com 《总线解决方案比较》，《德州仪器应用记录SLLA067》，www.ti.com 《采用 Sin/Cos 编码器的高分辨率位置 DSP 解决方案》，《德州仪器应用报告SPRA496》，www.ti.com 《传动控制电路中的电气噪声》，应用记录 #5438，Galil Motion Control Inc.， www.galilmc.com 《分解器或旋转编码器，两个测量系统的特性》，Heidenhain 技术论文，Peter Polak，www.heidenhain.com 《线性发动机的线性编码器》，《Heidenhain技术论文》，www.heidenhain.com 《MODBUS初学入门》，《Acromag技术参考》，www.acromag.com InterBus协会网站，www.interbusclub.com Modbus机构网站，www.modbus.org Profibus行业机构网站，www.profibus.com BACnet机构，www.bacnet.org