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電機位置編碼器廣泛用于伺服驅(qū)動器、機器人、機床、印刷機、紡織機和電梯等工業(yè)電機控制應(yīng)用。用接口把這些編碼器連接到您系統(tǒng)的其它部分會帶來一些棘手的電磁兼容(EMC)問題。為幫您應(yīng)對這些挑戰(zhàn)，筆者將以各類電機位置編碼器及其接口的概述作為本系列的開始，本系列的其余部分將深入探討如何為每種不同的電機位置編碼器類型設(shè)計符合EMC標(biāo)準(zhǔn)的工業(yè)接口。 所需的位置/角度分辨率可根據(jù)工業(yè)驅(qū)動器的應(yīng)用而變化，從幾位到25位或超過25位。一些驅(qū)動器應(yīng)用甚至需要角轉(zhuǎn)動度數(shù)。從變頻器到位置編碼器的安裝距離會有所不同，從很短的幾米(在多軸驅(qū)動器中)到100米或100米以上。由于那種長距離，電接口需經(jīng)過設(shè)計，以實現(xiàn)對電磁場、共模電壓、脈沖噪聲等具有高抗擾性的穩(wěn)健數(shù)據(jù)傳輸。 圖1展示了幾類適合工業(yè)應(yīng)用的線性或角度位置反饋編碼器。 圖1：位置反饋編碼器及其對應(yīng)接口 有兩種類型的位置編碼器：增量型位置編碼器和絕對型位置編碼器。增量型編碼器可提供關(guān)于增量位置或角度變化的信息。上電后它們不提供絕對位置，但仍然有可能在一次機械旋轉(zhuǎn)之后通過索引信號獲得。絕對型編碼器則可始終提供絕對機械位置。 增量型編碼器可顯示三種差分信號：A信號、B信號和Z信號。A信號和B信號可為增量位置變化編碼。位置分辨率取決于增量型編碼器的線數(shù)。典型的線數(shù)范圍是每轉(zhuǎn)50至10000線。Z信號通常每轉(zhuǎn)會出現(xiàn)一次，是用來推導(dǎo)出絕對位置的“原點索引(home index)”。 增量型編碼器接口是具有晶體管-晶體管邏輯(TTL)或高閾值邏輯(HTL)兼容的數(shù)字輸出電平的數(shù)字脈沖串或具有1Vpp或11μApp振幅的模擬正弦/余弦輸出。具有模擬輸出的編碼器通常被稱為正弦/余弦編碼器，這類編碼器允許的分辨率比具有TTL/HTL輸出的編碼器允許的分辨率高得多，因為您可通過使用具有所測正弦和余弦信號的反正切函數(shù)在一個線數(shù)內(nèi)插入其位置。這種插值能使分辨率增加16位之多，可能的總分辨率是25位或更多。所選編碼器的線數(shù)乘以旋轉(zhuǎn)速度得出的積與輸出信號的頻率成比例。 絕對型位置反饋編碼器可提供絕對位置(分辨率達(dá)25位或25位以上)。它們的電接口已從基于模擬與數(shù)字混合協(xié)議的串行接口演變成基于純數(shù)字協(xié)議的串行接口。串行通信的標(biāo)準(zhǔn)通常是供應(yīng)商特定的，并能通過雙向數(shù)據(jù)傳輸來利用RS-485或RS-422差分信號。例如，EnDat 2.2不僅可傳輸絕對位置，而且還允許從該編碼器的內(nèi)存讀出數(shù)據(jù)或?qū)?shù)據(jù)寫入該編碼器的內(nèi)存。通過后續(xù)電子設(shè)備(通常被稱為EnDat2.2主站)發(fā)送到EnDat2.2編碼器的模式命令，您可選擇被傳輸數(shù)據(jù)的類型 —— 絕對位置、旋轉(zhuǎn)圈數(shù)、溫度、更多參數(shù)、診斷數(shù)據(jù)。 EnDat2.2、BiSS?和HIPERFACEDSL?等基于純數(shù)字串行協(xié)議的標(biāo)準(zhǔn)能補償傳播延遲并可在線纜長度達(dá)100米的范圍內(nèi)支持通信。純數(shù)字協(xié)議具有恒定的時鐘頻率，該頻率不會隨旋轉(zhuǎn)速度而變化。對于大多數(shù)協(xié)議，您可選擇時鐘頻率/波特率以適應(yīng)外部因素(如線纜長度)。 具有模擬與數(shù)字混合型通信接口或純數(shù)字通信接口的編碼器通常擁有供應(yīng)商特定的電源電壓范圍。表1是廣泛使用的編碼器標(biāo)準(zhǔn)的概覽。 表1：位置編碼器接口標(biāo)準(zhǔn)和電源電壓 當(dāng)用接口把這些編碼器中的任何一個連接到用于閉環(huán)控制的變頻器時，該位置接口模塊均包含以下功能塊，如圖2所示： 物理模擬或數(shù)字接口。 符合IEC 61800-3標(biāo)準(zhǔn)的電磁兼容(EMC)。 電源。 位置解碼和/或數(shù)字協(xié)議主站的信號處理。 圖2：工業(yè)驅(qū)動器/變頻器上位置反饋接口模塊的簡化方框圖 具有RS-485或RS-422接口的增量型數(shù)字HTL/TTL編碼器和絕對型數(shù)字編碼器需要較少的硬件接口工作，而模擬正弦/余弦編碼器則需要具有雙路模數(shù)轉(zhuǎn)換器的模擬信號鏈。您需要設(shè)計物理接口，以滿足EMC抗擾性要求，如對靜電放電(ESD)、電快速瞬變(EFT)突發(fā)和浪涌的抗擾性要求 —— IEC61800-3規(guī)定的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)如下： ESD：電壓為±4kV(直接接觸放電時)或±8kV(空氣放電時)。 EFT：電壓為±2kV，頻率為5kHz，通過電容耦合鉗。 浪涌：電壓為±1kV，源阻抗為2Ω，通過線纜屏蔽層進(jìn)行耦合。 TTL/HTL編碼器需要最少的信號處理工作，只需一個方向正交脈沖計數(shù)器。增量型正弦/余弦編碼器也需要該正交計數(shù)器;此外，還需要進(jìn)行信號處理，以便為插值計算反正切。基于數(shù)字串行接口協(xié)議的標(biāo)準(zhǔn)需要較多的信號處理工作，并且通常在現(xiàn)場可編程門陣列(FPGA)上實施，最近則更多地在創(chuàng)新型處理器(如Sitara? AM437x，它能利用可編程實時單元子系統(tǒng)和工業(yè)通信子系統(tǒng) (PRU-ICSS) 外設(shè))上實施。 在本系列的下一篇文章中，筆者和自己的同事將更深入地探討每種編碼器接口，并提供關(guān)于如何實現(xiàn)BiSS-C位置編碼器符合EMC標(biāo)準(zhǔn)的工業(yè)接口/BiSS-C主站接口的詳細(xì)信息。 如果您已準(zhǔn)備好開始設(shè)計，歡迎查看EnDat2.2、BiSS、HIPERFACE DSL及正弦/余弦編碼器接口的這些TI Designs參考設(shè)計。請訪問ti.com/tidesigns并搜索對應(yīng)的編碼器標(biāo)準(zhǔn)。 在系列的第一部分，Martin Staebler提供了各類電機位置編碼器及其接口的概述。在第二部分中，筆者將對雙向/串行/同步(BiSS)位置編碼器的接口進(jìn)行講解。 BiSS是來自iC-Haus公司的開源協(xié)議。它定義了適用于致動器和傳感器(如旋轉(zhuǎn)編碼器或位置編碼器)的數(shù)字雙向串行接口。(更多詳情見www.biss-interface.com。)BiSS允許單向或雙向模式(被稱為BiSS-C連續(xù)模式)下的串行同步數(shù)據(jù)通信。BiSS接口與串行同步接口(SSI)硬件兼容。 BiSS協(xié)議定義了進(jìn)入數(shù)據(jù)部分訪問的每一個用戶/從站，這些數(shù)據(jù)部分為：傳感器數(shù)據(jù)部分、致動器數(shù)據(jù)部分、寄存器數(shù)據(jù)部分和(如果已規(guī)定)多周期數(shù)據(jù)部分。根據(jù)訪問和傳輸性能，每個數(shù)據(jù)部分均可有不同的設(shè)置 —— 這取決于傳感器應(yīng)用。為連接到用戶/從站，“BiSS主站”協(xié)議應(yīng)是預(yù)先確定的，它可發(fā)送數(shù)據(jù)到位置編碼器，也能從位置編碼器接收數(shù)據(jù)。BiSS主站是軟件，并在Sitara?處理器或現(xiàn)場可編程門陣列(FPGA)等主機處理器上實現(xiàn)。 BiSS接口有兩種物理層(PHY)選項，一種是基于TIA/EIA-422標(biāo)準(zhǔn)的，另一種則是使用LVDS TIA/EIA-644標(biāo)準(zhǔn)的。典型的接口是基于TIA/EIA-422標(biāo)準(zhǔn)的。 BiSS有兩種不同的結(jié)構(gòu)選項：點對點結(jié)構(gòu)和總線結(jié)構(gòu)。在本文中，筆者將重點談?wù)擖c對點結(jié)構(gòu)。如欲獲得更多有關(guān)總線結(jié)構(gòu)硬件的信息，敬請參閱5V BiSS位置編碼器接口TI Designs參考設(shè)計的設(shè)計指南。 現(xiàn)今的編碼器一般采用點對點結(jié)構(gòu)。當(dāng)把具有RS422或RS485物理層的BiSS數(shù)字編碼器連接到伺服驅(qū)動器時，筆者建議使用以雙絞線作為芯線的屏蔽線纜。編碼器線纜通常具有六根或八根可用作信號線和電源線的芯線，如圖1所示。100米或超過100米的線纜長度并不少見。 圖1：BiSS-C點對點結(jié)構(gòu) 圖1展示了一種適用于位置或旋轉(zhuǎn)編碼器的典型BiSS配置。在點對點配置中，只有一個設(shè)備(具有一個或多個傳感器)被連接到主站。 MA時鐘頻率是可變的。推薦的MA時鐘頻率取決于線纜長度，如圖1中粗略展示的。筆者使用應(yīng)用手冊《BiSS接口AN15：BiSS C主站運行詳情》中的表1生成的本圖。 圖2：推薦的BiSS MA時鐘頻率與線纜長度 當(dāng)為BiSS接口的推薦頻率進(jìn)行設(shè)計時，10MHz的MA時鐘頻率將轉(zhuǎn)化為能支持20MBaud的RS422/485收發(fā)器。這些是最低要求。使用5V BiSS位置編碼器接口TI Designs參考設(shè)計進(jìn)行的測試表明，速度更快的收發(fā)器將允許您增加線纜長度，同時仍使用該協(xié)議的最高頻率，因為該收發(fā)器對線纜扭曲的噪聲敏感性不強。 適用于BiSS編碼器的電源通常需要支持表1所示的參數(shù)，不過您應(yīng)借助您的編碼器供應(yīng)商的產(chǎn)品說明書來確認(rèn)這些數(shù)據(jù)。 表1：編碼器電源通用規(guī)范 對于電源，您將需要考慮該編碼器可支持的電壓范圍以及您的線纜的電壓降有多大。一種選擇是使用能根據(jù)線纜長度改變電壓的可編程電源。查看具有可編程輸出電壓和保護(hù)功能、適用于位置編碼器接口的電源TI Designs參考設(shè)計。 在本系列(討論的是編碼器接口)的下一篇文章中，筆者和自己的同事將提供關(guān)于如何實現(xiàn)Endat2.2位置編碼器符合EMC標(biāo)準(zhǔn)的工業(yè)接口的詳細(xì)信息。 |
