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1、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应方式，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A、D电刷或D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A型这样较大的发动机，是根据其马力功率进展分类的。尽管旋转
2、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gearheadtr。图2：旋转发动机b.反应为提供有关位置、速度、扭矩或传动系统其他动力属性的反应，需要具备反应传感器。最常用的反应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，以便不断理解系统的当前动力运
3、转情况。根据系统对速度、动力响应及精度的要求，反应采样率可超过每秒几千次采样。.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展比拟，同时处理相关输入，来产生对传动装置的控制信号。假如采用数字控制器，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正确解决方案。请参见.ti.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
4、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，以期利用这些一样优势。因此，诸如过程控制网络、工业自动化、远程终端、建筑自动化和平安系统等应用均广泛采用了RS-485，以便满足对强大可靠的远间隔 数据传输的需要。通常RS-485信令与Prfibus、Interbus、dbus或BAnet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。假如R-485的优势缺乏以满足需求，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
5、能会首选AN控制器局域网或EtherNet/IP行业协议，因为它们可与现有网络进展兼容。对于高速应用以及对长途及共模电压要求不高的情况，-LVDS可提供较低的功耗。在.ti.上的应用手册总线方案比照中讨论了多种替代方法。e.根本拓扑在所示的传动控制应用例如中，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10bpsTTL或S逻辑模拟到达系统的伺服带宽10V典型范围传动反应数字脉冲或二进制编码可达10bpsTTL或S逻辑位置反应同步器、分解器正弦可达10k
6、Hz20Va编码器、数字输出A、B及索引脉冲可达10bps内插之后TTL或S逻辑驱动电压发动机线圈电压，13相假如是D或A，那么可达1kHz；假如是P，那么可达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3kHzTTL或S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hingsensr，等可达1kHzTTL、S或D，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D10Hz以
7、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；多轴系统可共享一样的控制器并把相关机构ehanis连接到一样的工具或负载上。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拟大的间隔 。除了间隔 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。尽管存在间隔 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
8、传动装置，而这种装置会产生电气噪声及较高的电流电平。平安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.EI/抗扰性电磁干扰EI会破坏发动机控制系统中的信号。典型的EI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应信号。RS-485信令标准包含了非常适于解决这些EI问题的功能。RS-48
9、5信令具有平衡及差分的特点，一般通过双绞线进展传输。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信号电平进展了定义，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EI噪声消除极其重要。485标准要求在接收差分信号强度到达200V以上时对有效状态进展检测。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
10、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EI源会产生以下差分噪声。假如没有接收器磁滞，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穿插0差分电压时改变状态。因此，需要磁滞来防止寄生脉冲，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stepand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EI噪声。一般RS-485接收器的磁滞为4060V，而磁滞到达100V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
11、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EI、设备故障以及附近闪电产生的二次浪涌sendarysurge，会出现部分电压浪涌。通过例如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互相连接来进展通信并提供电源。假如节点1与2之间的24V电源采用50米14AG线缆连接的话，那么RPPER大约为0.5h。在正常操作中，发动机电流低于2A。但是在失速故障stallfault情况下，电流可能激增到10A。由于
12、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(V)范围之内。由于节点1的差分信号进展了同等偏移，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-712V共模电压范围内操作的TIA/EiA-485标准要求。对于更宽V范围的操作，诸如SN65HD22的新产品将在-20V
13、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JEDE人体模型(HB)与IEESD抗扰性测试(IE61000-4-2)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8kV15kV，而诸如SN65LB184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展预测，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交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
14、次级电源变压器的闪电或者由机器故障导致的部分电源故障会造成这类事件。IE61000-4-5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平安通道。带有集成瞬态电压抑制电路的SN65LB184可以保护浪涌电压电源超过400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，它们可以满足电源中5或10变化的完
15、好性能规格。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.反应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10kHz伺服带宽的高性能系统。因此，
