設(shè)計(jì)耐用且容錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)控制反饋系統(tǒng)(二)

        為成功設(shè)計(jì)出魯棒且容錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)工程師必須了解接收器IC、編碼器信號電纜、終端匹配和PCB設(shè)計(jì)的重要性。本文將對運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵問題進(jìn)行討論。
改進(jìn)的電路使用兩個(gè)MAX-3098E IC。每個(gè)IC都帶有三個(gè)RS-422/RS-485接收器(圖3)，每個(gè)接收器都提供內(nèi)置故障檢測、±15kV ESD保護(hù)和32Mbps數(shù)據(jù)速率。MAX3098E檢測開路和短路編碼器輸入。它還可以檢測低壓差分信號、共模范圍違例和其它錯(cuò)誤。它的邏輯電平輸出指示哪個(gè)接收器輸入處于故障狀態(tài)。通過直接報(bào)告故障，該功能可減少軟件開銷并且最大限度地減少對外部邏輯元件的需求。

        任何編碼器輸入錯(cuò)誤都會立即在相應(yīng)輸出(ALARMA、ALARMB或者ALARMZ)上產(chǎn)生邏輯高電平。伺服系統(tǒng)運(yùn)行較慢會在正交編碼器信號的零交點(diǎn)區(qū)域產(chǎn)生瞬態(tài)故障，從而觸發(fā)“偽錯(cuò)誤(false fault)”。通過選擇C_Delay值，將ALARMD輸出(ALARMA、ALARMB和ALARMZ的邏輯OR)延遲想要的一段時(shí)間間隔。120 Ω電阻為電纜提供適當(dāng)?shù)腞S-422終端匹配。由于IC可以提供 16管腳的QSOP封裝，所以該電路需要的元件很少，占用的PCB空間也很少。

接收器電路的PCB設(shè)計(jì)

         正確的接收器電路設(shè)計(jì)是從RS-422編碼器輸入連接器開始的。差分信號對(A、A-；B、B-；Index、Index-)必須占據(jù)連接器上的相鄰管腳。這種配置通過確保差分對的信號回流路徑相互重疊并抵消，使信號的不平衡最小化。圖4給出了典型的元件布局。為確保每個(gè)PCB走線都具有相同的寄生電容，應(yīng)將每個(gè)差分對走線緊密地布在一起，并保持長度相等、彎曲對稱。




        為盡量減少數(shù)字輸出上的感性和容性串?dāng)_并提供更低的電感，連接器和接收器差分RS-422信號的走線應(yīng)布在緊鄰地平面的PCB內(nèi)層，而且地平面線板不應(yīng)有任何高速電流信號。

        運(yùn)動(dòng)控制器電路中的高速電流開關(guān)會產(chǎn)生共模噪聲。使用濾波器和旁路電容器有助于減少與電源線路耦合的共模電壓效應(yīng)。應(yīng)在靠近接收器的VCC輸入端放置一個(gè)0.1?F的旁路電容。為盡量減少旁路環(huán)路中的電感，電容的接地管腳應(yīng)直接連接到地平面，IC的接地管腳也通過過孔與電容的接地管腳靠近放置。最后，為盡量減少耦合到接收器的噪聲，需避免接收器走線靠近任何電源電路。




編碼器信號電纜

         由于來自正交編碼器的差分信號是平衡的，所以這些信號可以在常規(guī)的一對電纜上傳輸，但雙絞線仍是首選。雙絞線電纜具有極低的感性耦合，在高達(dá)數(shù)MHz頻率下阻抗恒定，很適合用于特別要求高速性能的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)。此外，雙絞線電纜還有助于減少輻射的和接受到的電磁干擾(EMI)。

        雙絞線電纜有屏蔽和非屏蔽兩種。非屏蔽電纜體積較小、成本較低、重量較輕，能夠以較小半徑彎曲。但對差分正交編碼器信號，必須使用屏蔽雙絞線電纜。屏蔽雙絞線電纜可以提供較好的共模抑制，這是因?yàn)槠帘翁峁┝祟~外的EMI保護(hù)。但實(shí)際非屏蔽雙絞線電纜中的非理想扭曲可使EMI噪聲急劇增大，必須在編碼器輸入連接器上將屏蔽線連接到接收器的地平面。


        編碼器的信號電纜不應(yīng)傳送電源電平信號或者這種類型的任何其他信號，并且不能將它靠近或平行于其他傳送電源電平信號或其他噪聲信號(包括60Hz電源)的電纜或管道進(jìn)行布線。

         現(xiàn)代化的高速伺服控制系統(tǒng)與數(shù)據(jù)速率高達(dá)數(shù)MHz的編碼器一起工作。數(shù)據(jù)速率如此之高，編碼器信號電纜必須在接收器端用終端電阻或網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行正確匹配。理想情況下，終端電阻的阻值等于電纜的特征阻抗。

         由于RS-422網(wǎng)絡(luò)(一個(gè)傳送器和一個(gè)接收器)上只有一個(gè)發(fā)射器(編碼器輸出)，所以發(fā)射器不需要終端電阻。但是非終端匹配接收器輸入上的振鈴和反射將限制數(shù)據(jù)吞吐量為每秒數(shù)千比特。通常情況下，對電纜特性阻抗的匹配誤差在±20%以內(nèi)就已足夠。圖2和圖3展示了編碼器電纜的正確終端匹配。