位置编码器的接口选项.doc

位置编码器的接口选项.doc 位置编码器的接口选项 作者:德州仪器，Clark Kinnaird 摘要: 旋转与线性编码器可为传动控制应用 (motion control application) 提供位置反馈信息。本文将讨论各种用于将数据从编码器向运动控制器传输的解决方案。内插分组、信令技术以及消息的选择会影响特定应用解决方案的优化方法。本文将重点讨论如何解决常见的工业环境难题，如高温、电噪声以及严格的性能要求等。 运动系统中最常见的位置反馈元件是编码器，旋转编码器或线性编码器均适用。编码器中包含一个光条(或称光盘)以及多个备用光条，光条如图 1 所示安装在转动轴上。当马达转动时，光学传感器检测光条的运动，并产生电信号，控制器通过此信号确定马达运动状态。 图 1 简化的光学编码信号链 根据应用的物理布局不同，控制器、伺服放大器、马达以及编码器之间的距离可能很远。在系统过程中应考虑到电噪声、温度以及系统性能等其它因素。高效传输数据的目的是为这些组件之间提供可靠的通信，而不受距离或环境条件的影响。 接口架构 正交信号 A 和 B 可以是模拟正弦波信号，也可以是数字信号。如果是正弦波信号，那么信号电平幅度的峰值一般是 1V。向控制器传输的数字信号可以是符合 RS-422 或 RS-485 标准的晶体管,晶体管逻辑 (TTL) 信号、通用线路驱动器信号或平衡线路驱动器信号。 图 2 为带正弦输出的典型增量编码器。控制器中显示的可选内插块能够将每个正弦周期细分为大量的细小单位，从而提高位置系统的有效精度。与原有的编码器间距相比，A~ 与 B~ 的相对电压可用于进一步细分，从而使分辨率倍增。 正弦正交输出所需的信号带宽等于编码器的间距 (pitch) 乘以最高速率。例如，如果编码器的间距为 1024 线,转，最大速率为 3000 转,分，则正弦输出的最高频率为: 因为无需考虑高频衰减的影响，因此放宽了线缆及连接器的选择限制。 图 2 正弦正交输出的增量编码器 通过端口发送模拟正弦输出较为简单，但容易受到周围部件噪声的影响。如果峰值幅度为 1V，即使在没有内插件的情况下，仅 100 mV 的噪声电压就可以造成巨大的位置误差。随着内插系数的增大(位置精度相应提高)，即使几毫伏的噪声也能导致严重问题。高频噪声可以过滤，但却增加了设计的复杂度。因此，正交信号在发送到接口线缆之前一般要进行数字化。 图 3 是含有内插及数字化功能的编码器架构。虽然接口的编码器端较复杂，但其噪声抗扰度优于模拟信号。 编码器数据经数字化处理后，噪声抗扰度取决于驱动器输出状态与二进制高低电平的接收机识别阈值的隔离度。下文将讨论几种常见的数字信号发送方法。 图 3 具有内插增量数字输出信号的增量编码器 数字接口的带宽一定要大于相应的正弦正交接口的带宽。每个数据位必须迅速地由高电平向低电平转换，以避免出现不确定的中间状态。因而，根据经验，信道带宽(单位为赫兹)至少应该是信号速率(单位为比特,秒)的五倍。例如，如果编码器的间距参数为 1024 线,转，最大速率为 3000 转,分，内插系数为 20，则传输数字增量数据所需的接口带宽为: 对于 5 MHz 及以上频率的带宽，接口连接器、电路板线迹及线缆(尤其在线缆较长时)的特性显得非常重要。设计师应熟悉相关频率下单位长度的线缆衰减、可降低交叉偶合的连接器选择与引脚排列，以及高频信号的电路板布局技术。 绝对位置编码器需要解决的接口问题与增量编码器不同。通过接口发送的绝对位置数据串最长为 20 比特。并行接口成本较高而且可靠性也低，所以一般是将数据串行化，然后通过单 个接口通道发送。因此信号传送速率一定要远高于位置更新速率(即每次更新的消息比特数)。 图 4 具有串行数字输出的绝对编码器 串行编码器数据有多种通用的编码与传输方法，如基于以太网协议的(EtherNet/IP、ProfiNet 及 EtherCAT)、现场总线标准(ProfiBus、InterBus、ControlNet)及厂商专有方案。 面临的难题 若想在系统组件之间获得有效而可靠的通信，位置编码器的应用需要解决几个难题。机电传动器本身具有关联的电噪声及相对较高的电流水平。出于安全性及可靠性的考虑，控制运动机制的通信路径必须非常可靠。这与运动应用也有关系，此类应用受到线缆布局(可能需要更长的线缆)的限制。伺服系统的稳定性也对信号传输速率有一定的要求。 EMI,噪声抗扰度 电磁干扰 (EMI) 可能破坏编码器信号，导致位置误差或稳定性降低。常见的电磁干扰源有较高的马达驱动电压、马达电刷噪声、设备源 (tool source) 及来自于时钟、显示器以及其它计算机组件的电噪声。在模拟系统中，噪声信号可能造成有害的运动或导致系统的不稳定性。二进制编码具有固有的信噪比，因此数字系统主要关注的是寄生脉冲，通过此类脉冲可以获得编码器的位置变化信息。 接地电势,共模 另一类可能影响传动控制应用通信的电气难题是驱动器与接收机节点之间接地参考电压的偏移量。高功率设备的电流负载可能导致此类问题。马达反电动势、设备故障及附近的附近闪电冲击产生的二次浪涌 (secondary surge) 都可能造成局部电压浪涌。 ESD 静电 (ESD) 可以对同一条线缆连接的所有电路造成损害，而该线缆也可能容易受到操作或外部高电压的影响。JEDEC 人体模型 (HBM) 及 IEC 防静电测试 (IEC 61000-4-2) 等各种测试方法可用于模拟不同的静电损害。 典型的保护电平范围为 8kV,15kV。实际应用所需的保护电平很难预测，但设计师应将如下因素纳入考虑范围: , 收发器所处的电气环境 , 工作条件与线缆接入频率 , 确定故障点的诊断程序 , 因替换故障部件造成的停机时间及相关人工成本 另一类电气损害是由瞬间的(浪涌)过电压造成的。由击穿次级电源变压器的闪电或者由机械故障导致的局部电源故障会造成这类事件的发生。IEC61000-4-5 中规定了此类损害的测试方法，一般通过添加外部保护二极管来提供这种能量消耗的安全通道。 一般强度 由于位置编码器通常需要工作在恶劣环境中，所以选定接口组件时需要考虑多种因素。由于马达线圈会产生功耗，所以直接安装到马达上的旋转编码器经常会在高温运行环境下工作。下文将探讨一些接口选项在高温环境下的使用限制。 与编码器接口强度有关的另一个参数是电源容限。编码器上安装的接口组件的电源一般通过线缆与远程控制器相连，接口电源的种类多于机架内部电源。接口设计师应在组件适用性评估中将电源电压容限考虑在内。 反馈环路延迟 在设计伺服环路的位置编码器时应考虑到通信组件是否会明显增加延迟。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不计。通信延迟可以分为以下几类: , 收发器与介质的传播延迟 , 同步信令速率延迟 , 编码增加的系统开销 传播延迟(线缆传播及收发器延迟) 收发器与介质的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接近 10 到 100 纳秒。诸如 RS-485 的双绞线等线缆的传播延迟一般为大约每米 5 纳秒。 相比而言，可想象一下具有 10kHz 伺服带宽的高性能系统。因此，即使是速度非常快的系统，1 微秒(1000 纳秒)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，对少于500纳秒的线缆延迟造成的相移可忽略不计。 更新速率 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。一旦检测到运动就进行异步脉冲发送的增量编码器就是这样一个例子。旋转编码器有可能产生高达每转 32000 个计数，即速率超过每秒一百万个计数。如果与收发器直接耦合，则可在小于一微秒的时间内开始传输这些脉冲，而这对系统造成的延迟一般可忽略不计。然而，如果控制器同步对收发器计时，则更新速率可能会更低并受到系统性能的限制。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。。 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，与数据协议相关的消息格式也会造成延迟。出于多种原 因，在数据传输方案中可能集成了更多的比特。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,状态代码等描述位也可以构成消息协议的一部分。以太网等复杂协议可能也需要包含源及目的寻址、同步模式等，其信息容量最小为数百比特。 这些增加的位可为数据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。 节点连接布局 另一个应考虑的问题是是否有两个以上的节点将在同一总线上进行通信。仅与另一个节点通信的结构称为点对点接口。如果一个节点向多个接收机发送数据，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。对于多点系统而言，信令协议必须包含可确定哪个节点何时发送数据的程序。 信号接口选项 TTL TTL 信令广泛用于各种简单的互连。各信号均以驱动器及接收机共用的接地参考点为参考。驱动器将输出高于 2.4V 的电压作为逻辑高电平，将输出低于 0.4V 的电压作为逻辑低电平。接收机将高于 2.0V 的电压判定为逻辑高电平，将低于 0.8V 的电压判定为逻辑低电平。TTL 信令在源点的电压裕度至少为 0.4V，在目的节点的电平辨别极限为 1.2V。驱动器的电压余量可以补偿由线缆和连接器引起的信号衰减。接收机的电压余量允许一定的信号噪声。TTL 信令传输针对一个信号仅要求一根线缆和一个参考(接地)连接，以及任何必需的电源电压。 RS-232 RS-232 是一种用于连接各种接口终端而定义的标准 (TIA/EIA-232)。此标准不仅定义了电气特性，而且还定义了连接器及协议规范。编码器接口可以充分利用通用的 RS-232 驱动器,接收机芯片，并采用该标准的电气特性，而不必遵循该标准中的协议及连接器规范。RS-232 的电气特性要求驱动器输出电压阈值至少为 +/-5V，接收机的电压设定阈值为 +/-3V。与 TTL 信令相比，这种标准为驱动器及接收机定义了更高的电压余量。RS-232 标准通常要求线缆长度小于或等于 20 米，信令速率低于或等于 1 Mbps。作为一种单端口 (single-ended) (而非差分对 (differential pair))标准，尽管 RS-232 比 TTL信号电平高且其抗干扰性相对较好，但因接地偏移会对数据误差很敏感。 RS-422/RS-485 RS-485 多点信令标准(及其前代多分支结构 RS-422 标准)与单端口方法本质上有所不同，但其具有更高的噪声抗扰度。 这些标准包含正好适用于编码器接口所要求的特性，而且针对此类应用的通用性相对较强。 RS-485 信令是一种平衡、差分技术，通常使用双绞线传输数据，这使两条线路上耦合的电气噪声几乎相等，从而实现了噪声抑制，同时电压虽有所不同，但并不影响传送信号信息。 对于任何采用 RS-485 接口的有源驱动器而言，若一条线路的信号为“高”电平时，则另一条线路的信号为“低”电平。驱动器上两条线路的电压差值必须高于 1.5V，才能传输正确信息，在任何有效负载状态下都必须如此。+1.5V 表示逻辑“开”状态，-1.5V 表示逻辑“关”状态，所以这两种发送状态的电压差值为 3V。将接收机的电压阈值设定为 +200 mV(开)、-200 mV(关)，以允许连接介质出现较大的电压损失。 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、进行多点总线控制以及协商信令速率。编码器数据可能采用的常用协议包括EnDAT、Profibus 以及 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。由于具有较长的消信长度及较低的更新速率，一般将这些协议用于绝对编码器数据。 USB 通用串行总线 (USB) 接口已在众多设备接口互连的情况下取代了 RS-232。USB 信号包括一个差分对、电源及接地。信令速率分为 1.5 Mbps (USB)、12 Mbps(快速 USB)以及 480 Mbps(高速 USB)。USB 是一种点对点接口，因而每对节点必须由一条 USB 线缆直接连接或通过 集线器相连。驱动器的差分信令电平为 +/- 400 mV，接收机的电平阈值为 +/- 150 mV。在共模电压范围内，USB 主要限于消费类应用，不适合编码器接口对接地漂移、高温及性能的要求。 以太网 以太网广泛用于计算机及办公应用领域。在运动控制等时间关键型应用中需对“标准”以太网协议进行一些改动。这些工业用以太网变体采用时分多路复用技术来提供闭环系统必需的确定性数据时延。诸如 ProfiNet 及 EtherCAT 等协议可支持一条总线上的多个编码器及运动控制器的接口连接，同时还具有提供状态、诊断及参数更新的能力。以太网接口容量的增强是以提高系统复杂性为代价的。 这些以太网接口与 IEEE 802.3标准具有相同的电气特性。与工业环境下采用的大多数方法相同，以太网具有 100 Mbps 信令、双绞线线路介质以及 +/-1V 的差分信号电压。变压器耦合不仅可提供电隔离，而且还允许节点之间的不平衡接地。以太网消息(帧)长度至少有数十字节(数百比特)，要保证吞吐效率，就要求每条消息具有较大的分组容量。因此，绝对位置数据比增量计数更常用。 表 1 为编码器主要接口方法的属性列表。我们可将 TTL 或 RS-232 信令用于简单且性能要求不高的接口。基于以太网的协议可用于对接口组件成本限制不大的绝对位置数据。RS-485(或 RS-422)信令可用于绝对或增量编码器数据，既可以采用简单互连也可采用复杂协议。 表 1 常用接口选项汇总表 以太网 TTL RS-232 RS-485 100baseTX 拓扑开点对点多点点对点 信号裕度，驱动器至接收机 400 mV 3V 1.3V < 1V 信号裕度、低与高电平信号大于小于1.2V 6V 400 mV 2V 的对比 最大信令速率小于小于 1 1 MHz ? 30 MHz 100 Mbps MHz 每消息比特(典型)或更多 1 10 1 ? 400 每秒更新速率(典型) 105 104 107 105 最大距离(铜质线缆)小于小于 10 m 20 m 1200 m 100 m 每接口的信号线或更多,或更多或更多 1 415 2 4 高温组件有有有限制 节点之间允许的接地偏移大于 1.2V 5V 7V 100V (带变压 器) 结论 现在不会，将来也不可能出现“一劳永逸”的编码器接口。每项应用都有各自不同的要求及限制，因而设计人员必须要考虑各种接口选项，并基于各种技术的优点及不足，才能做出最佳的选择。 线缆衰减的影响以及因连接器或电路板迹线产生的失真一般对于频率低于 1 MHz 的情况可忽略不计。