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愛澤旋轉(zhuǎn)編碼器
旋轉(zhuǎn)編碼器目前已經(jīng)廣泛地被運(yùn)用在各種工業(yè)自動(dòng)化系統(tǒng)中，這類編碼器其中一種常見的用途，就是電動(dòng)機(jī)具，其將編碼器連接到旋轉(zhuǎn)軸，并向控制系統(tǒng)提供回饋資訊。
編碼器的主要用途是量測(cè)角度位置與轉(zhuǎn)速，另外還配備像是系統(tǒng)診斷與參數(shù)設(shè)定等常見功能。圖1所顯示為一個(gè)馬達(dá)控制訊號(hào)鏈，其利用RS-485收發(fā)器與微處理器來連結(jié)絕dui值編碼器(ABS encoder)受控端以及工業(yè)伺服驅(qū)動(dòng)器主控端，以建構(gòu)出交流馬達(dá)的封閉迴路控制機(jī)制。
伺服驅(qū)動(dòng)器與絕dui值編碼器之間的RS-485通訊鏈路通常需要高達(dá)16MHz的資料傳輸率，以及低傳輸延遲的時(shí)序。RS-485線路長可佈線到50公尺，有些情況下，甚至還會(huì)延長到150公尺。馬達(dá)控制編碼器對(duì)于資料通訊而言是屬于挑戰(zhàn)性的環(huán)境，因?yàn)殡姎怆s訊以及長線路都會(huì)影響RS-485訊號(hào)的完整性。
本文以亞德諾半導(dǎo)體(Analog Devices)的50Mbps(25MHz) ADM3065E RS-485收發(fā)器以及ADSP-CM40x混合訊號(hào)控制處理器為例，探討編碼器可為馬達(dá)控制應(yīng)用帶來的關(guān)鍵優(yōu)勢(shì)。
圖1：使用RS-485連結(jié)絕dui值編碼器受控端與伺服驅(qū)動(dòng)器主控端，建構(gòu)交流馬達(dá)的封閉迴路控制機(jī)制
ADM3065E RS-485收發(fā)器是專門設(shè)計(jì)以用來在如馬達(dá)控制編碼器這類嚴(yán)苛環(huán)境中提供穩(wěn)定運(yùn)行的能力，另外，其還提供雜訊免疫力以及(IEC) 61000-4-2靜電放電(ESD)的耐受力。
雜訊免疫力
RS-485傳訊機(jī)制具有平衡、差動(dòng)以及雜訊免疫力等特性。在RS-485雙絞線中，系統(tǒng)雜訊會(huì)同等地藕合到兩條線中。其中一個(gè)訊號(hào)會(huì)與另一個(gè)訊號(hào)反相，而藕合到RS-485匯流排的電磁場(chǎng)則會(huì)相互抵銷，如此一來，就會(huì)降低整個(gè)系統(tǒng)的電磁干擾(EMI)。此外，增強(qiáng)后的ADM3065E 2.1 V驅(qū)動(dòng)電壓讓通訊達(dá)到更高的訊號(hào)噪訊比(SNR)。
另外還可運(yùn)用ADuM141D輕易為ADM3065E增加訊號(hào)隔離機(jī)制。ADuM141D是一顆採用Analog Devices iCoupler技術(shù)的四通道數(shù)位隔離器。ADuM141D能在高達(dá)150 Mbps的資料傳輸率下運(yùn)行，因此適合搭配50Mbps的ADM3065E RS-485收發(fā)器(如圖2所示)一起運(yùn)作，運(yùn)用能量直接注入(DPI)技術(shù)量測(cè)元件拒斥雜訊的能力，這些雜訊通常會(huì)注入到電源供應(yīng)器或輸入針腳。ADuM141D採用的隔離技術(shù)已針對(duì)DPI IEC 62132-4標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)范進(jìn)行測(cè)試。ADuM141D在雜訊免疫力方面的性能超越其他類似產(chǎn)品。此外，ADuM141D在頻率方面維持效能，反觀其他隔離產(chǎn)品在200MHz到700MHz頻帶區(qū)間則會(huì)經(jīng)常出現(xiàn)位元錯(cuò)誤。
圖2：訊號(hào)隔離，傳輸率達(dá)50Mbps的RS-485解決方案簡圖
IEC 61000-4-2 ESD性能
編碼器和馬達(dá)驅(qū)動(dòng)器之間暴露，是RS-485接點(diǎn)與纜線上的靜電放電是一項(xiàng)常見的系統(tǒng)危險(xiǎn)。系統(tǒng)層級(jí)的IEC 61800-3標(biāo)準(zhǔn)在EMC免疫力方面，則針對(duì)可調(diào)速電子功率驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)規(guī)定了必須具備低±4kV接觸/±8kV空氣的IEC 61000-4-2 ESD靜電放電防護(hù)能力。而ADM3065E的防護(hù)性能超越上述規(guī)范，其可達(dá)到±12kV接觸/±12kV空氣的IEC 61000-4-2 ESD防護(hù)能力。
圖3顯示IEC 61000-4-2標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范8kV接觸放電電流的波形對(duì)比人體模型(HBM)靜電放電8kV波形。圖4顯示兩項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)相互不同波形與尖峰電流。IEC 61000-4-2 8kV脈衝的峰值電流為30安培，而對(duì)應(yīng)HBM ESD的峰值電流就低了超過5倍，僅為5.33安培。另一項(xiàng)差異則是啟動(dòng)電壓突波(spike)的上升時(shí)間，相較于HBM ESD波形的10奈秒，IEC 61000-4-2 ESD的上升時(shí)間要快上許多，僅為1奈秒。IEC ESD波形的功率遠(yuǎn)高于HBM ESD波形。HBM ESD標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定受測(cè)設(shè)備(EUT)須進(jìn)行3次正極放電與3次負(fù)極放電測(cè)試——相較之下，IEC ESD標(biāo)準(zhǔn)則規(guī)定須進(jìn)行10次正極與10次負(fù)極放電測(cè)試。相較于其他具備不同等級(jí)HBM ESD防護(hù)能力的RS-485收發(fā)器，符合IEC 61000-4-2 ESD規(guī)范的ADM3065E則更適合用在各種條件嚴(yán)苛的環(huán)境中。
圖3：在8kV的IEC 61000-4-2 ESD波形，對(duì)比在8kV的HBM ESD波形
EnDat通訊協(xié)定
編碼器可採用許多通訊協(xié)定，像是EnDat、BiSS、HIPERFACE、以及Tamagawa。這些編碼器通訊協(xié)定雖然存在差異，但在實(shí)作方面也有許多相似處。這些通訊協(xié)定的介面都屬于串列式雙向管線，并符合RS-422或RS-485電氣規(guī)格。雖然硬體層面有一些相同點(diǎn)，但每種通訊協(xié)定所需要的軟體并不相同。每種協(xié)定的通訊協(xié)定堆疊以及所需的程式碼都不一樣。本文則專為探討EnDat 2.2介面在主控端的硬體與軟體實(shí)作。
延遲的影響
延遲可分為兩類：類是線路的傳輸延遲，第二則是收發(fā)器的傳輸延遲。光速以及線路的介電常數(shù)決定了線路延遲的多寡，通常會(huì)介于6ns/m至10ns/m之間。當(dāng)總延遲超過時(shí)脈週期的一半，主控端與受控端之間的通訊就會(huì)中斷。此時(shí)設(shè)計(jì)者可擁有以下選擇：
?調(diào)低資料傳輸率
?減量傳輸
?在主控端執(zhí)行延遲補(bǔ)償
第三個(gè)選項(xiàng)所指的是補(bǔ)償線路延遲與收發(fā)器延遲，因此可確保系統(tǒng)能用長線路運(yùn)行高時(shí)脈。延遲補(bǔ)償?shù)娜秉c(diǎn)則是系統(tǒng)複雜度會(huì)因此提高。當(dāng)系統(tǒng)不可能進(jìn)行延遲補(bǔ)償，或者系統(tǒng)使用較短的線路，那麼採用傳輸延遲較短的收發(fā)器，就會(huì)發(fā)揮顯著的價(jià)值。低傳輸延遲不僅讓設(shè)計(jì)者能採用更高的時(shí)脈速度，也不必對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行延遲補(bǔ)償。
主控端實(shí)作
主控端的實(shí)作包含一個(gè)串列埠以及一個(gè)通訊協(xié)定堆疊。由于編碼器通訊協(xié)定并不相容于像UART這些其他標(biāo)準(zhǔn)連結(jié)埠採用的協(xié)定，因此大多數(shù)通用型微控制器的週邊元件都無法使用。反觀FPGA的可程式化邏輯功能，除了可用來將專屬的通訊埠建置在硬體上，還能支援諸如延遲補(bǔ)償?shù)雀鞣N先進(jìn)功能。雖然FPGA頗具彈性且能針對(duì)應(yīng)用量身設(shè)計(jì)，但它也有許多缺點(diǎn)。相較于處理器，F(xiàn)PGA顯得太過于昂貴、太耗電、以及上市時(shí)程過于冗長。
本文探討的EnDat介面是採用Analog Devices的ADSP-CM40x進(jìn)行實(shí)作，這款處理器的應(yīng)用標(biāo)的鎖定各種馬達(dá)控制裝置。除了如脈衝調(diào)變(PWM)計(jì)時(shí)器、類比至數(shù)位轉(zhuǎn)換器(ADC)以及sinc函數(shù)濾波器等這類馬達(dá)控制的週邊元件外，ADSP-CM40x還支援高度彈性的串列埠(SPORT)。這些SPORT能模擬許多通訊協(xié)定，其中包括像EnDat與BiSS在內(nèi)的編碼器通訊協(xié)定。由于ADSP-CM40x擁有如此多元的週邊元件，因此除了能執(zhí)行先進(jìn)馬達(dá)控制功能，還能連結(jié)其他編碼器。如此一來就不必再動(dòng)用FPGA。
測(cè)試設(shè)定
圖4顯示EnDat 2.2的測(cè)試設(shè)定。EnDat受控端是Kollmorgen公司的一款標(biāo)準(zhǔn)伺服關(guān)馬達(dá)(AKM22)，在轉(zhuǎn)軸上裝有一個(gè)EnDat 編碼器(ENC1113)。另外還有三對(duì)線組(數(shù)據(jù)、時(shí)脈以及供電)把編碼器連到收發(fā)器機(jī)板。在EnDat實(shí)體層上為編碼器配置了兩個(gè)收發(fā)器與電源供應(yīng)器。其中一個(gè)收發(fā)器用來支援時(shí)脈，另一個(gè)收發(fā)器用來支援?dāng)?shù)據(jù)線。EnDat主控端用的是ADSP-CM40x，另外還混用多個(gè)標(biāo)準(zhǔn)型週邊元件以及軟體。傳送埠與接收埠都是用彈性SPORT元件進(jìn)行實(shí)作。
圖4：實(shí)驗(yàn)設(shè)定
EnDat通訊協(xié)定規(guī)范許多不同長度的訊框(frame)，但這些訊框的處理程序卻都相同，如圖5所示。首先，主控端會(huì)向受控端發(fā)出一個(gè)指令，接著受控端會(huì)處理該指令并執(zhí)行必要的運(yùn)算。后，受控端再把結(jié)果傳回主控端。
圖5：EnDat傳送/接收程序
傳送時(shí)脈(Tx CLK)是由處理器ADSP-CM40x產(chǎn)生。由于系統(tǒng)各項(xiàng)延遲的緣故，從編碼器送出的資料訊號(hào)在送回處理器之前會(huì)和傳送訊號(hào)時(shí)脈呈現(xiàn)反相(out of phase)。為補(bǔ)償傳輸延遲tDELAY，處理器還會(huì)發(fā)出一個(gè)接收時(shí)脈(Rx CLK)，時(shí)間點(diǎn)是在發(fā)出傳送時(shí)脈后延遲tDELAY 再發(fā)出。讓接收時(shí)脈和受控端接收資料的訊號(hào)同相位，這樣的作法能有效補(bǔ)償傳輸延遲。
從處理器發(fā)出的時(shí)脈訊號(hào)是屬于連續(xù)性，而EnDat通訊協(xié)定則規(guī)定在通訊時(shí)，時(shí)脈僅套用到編碼器。時(shí)脈線路(clock line)在所有其他時(shí)間則必須維持高位(high)。在經(jīng)過整整兩個(gè)時(shí)脈週期(2T)之后，主控端會(huì)根據(jù)Tx DATA指令開始發(fā)送時(shí)脈訊號(hào)。
指令長度為6位元，之后跟著兩個(gè)0-bit。系統(tǒng)會(huì)透過收發(fā)器控制數(shù)據(jù)的傳送方向，而處理器在傳送訊號(hào)時(shí)會(huì)把Bit Tx/Rx EN設(shè)為高位(high)。
當(dāng)受控端準(zhǔn)備回應(yīng)時(shí)，系統(tǒng)會(huì)進(jìn)入等待狀態(tài)，而主控端則持續(xù)執(zhí)行(apply)時(shí)脈，但數(shù)據(jù)管線則是非運(yùn)行(inactive)狀態(tài)。當(dāng)受控端準(zhǔn)備好回應(yīng)，數(shù)據(jù)管線在接收資料時(shí)就會(huì)拉升到高位(high)，隨后立即送出回應(yīng)。主控端在收到n個(gè)位元回應(yīng)后就會(huì)將CLK EN訊號(hào)設(shè)定為低位(low)，藉此停止時(shí)脈訊號(hào)。在此同時(shí)，ENC CLK訊號(hào)會(huì)切至高位。這種資料流屬于半雙工模式，組合(combined)數(shù)據(jù)管線上的傳輸流即ENC資料。
實(shí)驗(yàn)結(jié)果
圖6顯示EnDat系統(tǒng)的測(cè)試結(jié)果。測(cè)試採用的時(shí)脈頻率為8MHz，延遲補(bǔ)償則是透過對(duì)接收訊號(hào)時(shí)脈進(jìn)行相移。圖中訊號(hào)底部波形是從EnDat主控端發(fā)出的指令。這裡顯示的指令是發(fā)送部位，有兩個(gè)0，隨后跟著6個(gè)1，再后面則是兩個(gè)0。指令長度總共為10個(gè)位元。編碼器的反應(yīng)是從上數(shù)下來第3個(gè)訊號(hào)。組合(combined)數(shù)據(jù)管線則是從上數(shù)下來第2個(gè)訊號(hào)。而圖中上面的訊號(hào)則是套用到編碼器的時(shí)脈。
圖6：EnDat資料交換
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聲明：
- 文章轉(zhuǎn)載自
Jens Sorenson，ADI系統(tǒng)應(yīng)用工程師；Richard Anslow，ADI產(chǎn)品應(yīng)用工程師，版權(quán)歸原作者所有！
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