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提升馬達控制編碼器的通訊可靠度與效能
點擊次數(shù):1424 更新時間:2018-07-13

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旋轉編碼器目前已經(jīng)廣泛地被運用在各種工業(yè)自動化系統(tǒng)中,這類編碼器其中一種常見的用途,就是電動機具,其將編碼器連接到旋轉軸,并向控制系統(tǒng)提供回饋資訊。

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編碼器的主要用途是量測角度位置轉速,另外還配備像是系統(tǒng)診斷與參數(shù)設定等常見功能。圖1所顯示為一個馬達控制訊號鏈,其利用RS-485收發(fā)器與微處理器來連結絕dui值編碼器(ABS encoder)受控端以及工業(yè)伺服驅動器主控端,以建構出交流馬達的封閉迴路控制機制。

 

伺服驅動器與絕dui值編碼器之間的RS-485通訊鏈路通常需要高達16MHz的資料傳輸率,以及低傳輸延遲的時序。RS-485線路長可佈線到50公尺,有些情況下,甚至還會延長到150公尺。馬達控制編碼器對于資料通訊而言是屬于挑戰(zhàn)性的環(huán)境,因為電氣雜訊以及長線路都會影響RS-485訊號的完整性。

 

本文以亞德諾半導體(Analog Devices)的50Mbps(25MHz) ADM3065E RS-485收發(fā)器以及ADSP-CM40x混合訊號控制處理器為例,探討編碼器可為馬達控制應用帶來的關鍵優(yōu)勢。

 

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圖1:使用RS-485連結絕dui值編碼器受控端與伺服驅動器主控端,建構交流馬達的封閉迴路控制機制

ADM3065E RS-485收發(fā)器是專門設計以用來在如馬達控制編碼器這類嚴苛環(huán)境中提供穩(wěn)定運行的能力,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傳訊機制具有平衡、差動以及雜訊免疫力等特性。在RS-485雙絞線中,系統(tǒng)雜訊會同等地藕合到兩條線中。其中一個訊號會與另一個訊號反相,而藕合到RS-485匯流排的電磁場則會相互抵銷,如此一來,就會降低整個系統(tǒng)的電磁干擾(EMI)。此外,增強后的ADM3065E 2.1 V驅動電壓讓通訊達到更高的訊號噪訊比(SNR)。

 

另外還可運用ADuM141D輕易為ADM3065E增加訊號隔離機制。ADuM141D是一顆採用Analog Devices iCoupler技術的四通道數(shù)位隔離器。ADuM141D能在高達150 Mbps的資料傳輸率下運行,因此適合搭配50Mbps的ADM3065E RS-485收發(fā)器(如圖2所示)一起運作,運用能量直接注入(DPI)技術量測元件拒斥雜訊的能力,這些雜訊通常會注入到電源供應器或輸入針腳。ADuM141D採用的隔離技術已針對DPI IEC 62132-4標準的規(guī)范進行測試。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200MHz700MHz頻帶區(qū)間則會經(jīng)常出現(xiàn)位元錯誤。

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圖2:訊號隔離,傳輸率達50Mbps的RS-485解決方案簡圖

 

IEC 61000-4-2 ESD性能

編碼器和馬達驅動器之間暴露,是RS-485接點與纜線上的靜電放電是一項常見的系統(tǒng)危險。系統(tǒng)層級的IEC 61800-3標準在EMC免疫力方面,則針對可調速電子功率驅動系統(tǒng)規(guī)定了必須具備低±4kV接觸/±8kV空氣的IEC 61000-4-2 ESD靜電放電防護能力。而ADM3065E的防護性能超越上述規(guī)范,其可達到±12kV接觸/±12kV空氣的IEC 61000-4-2 ESD防護能力。

 

圖3顯示IEC 61000-4-2標準規(guī)范8kV接觸放電電流的波形對比人體模型(HBM)靜電放電8kV波形。圖4顯示兩項標準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,而對應HBM ESD的峰值電流就低了超過5倍,僅為5.33安培。另一項差異則是啟動電壓突波(spike)的上升時間,相較于HBM ESD波形的10奈秒,IEC 61000-4-2 ESD的上升時間要快上許多,僅為1奈秒。IEC ESD波形的功率遠高于HBM ESD波形。HBM ESD標準規(guī)定受測設備(EUT)須進行3次正極放電與3次負極放電測試——相較之下,IEC ESD標準則規(guī)定須進行10次正極與10次負極放電測試。相較于其他具備不同等級HBM ESD防護能力的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苛的環(huán)境中。

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圖3:在8kV的IEC 61000-4-2 ESD波形,對比在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,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,通常會介于6ns/m10ns/m之間。當總延遲超過時脈週期的一半,主控端與受控端之間的通訊就會中斷。此時設計者可擁有以下選擇:

      ?調低資料傳輸率

      ?減量傳輸

      ?在主控端執(zhí)行延遲補償

 

第三個選項所指的是補償線路延遲與收發(fā)器延遲,因此可確保系統(tǒng)能用長線路運行高時脈。延遲補償?shù)娜秉c則是系統(tǒng)複雜度會因此提高。當系統(tǒng)不可能進行延遲補償,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,就會發(fā)揮顯著的價值。低傳輸延遲不僅讓設計者能採用更高的時脈速度,也不必對系統(tǒng)進行延遲補償。

主控端實作

主控端的實作包含一個串列埠以及一個通訊協(xié)定堆疊。由于編碼器通訊協(xié)定并不相容于像UART這些其他標準連結埠採用的協(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償?shù)雀鞣N先進功能。雖然FPGA頗具彈性且能針對應用量身設計,但它也有許多缺點。相較于處理器,F(xiàn)PGA顯得太過于昂貴、太耗電、以及上市時程過于冗長。

 

本文探討的EnDat介面是採用Analog Devices的ADSP-CM40x進行實作,這款處理器的應用標的鎖定各種馬達控制裝置。除了如脈衝調變(PWM)計時器、類比至數(shù)位轉換器(ADC)以及sinc函數(shù)濾波器等這類馬達控制的週邊元件外,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)行先進馬達控制功能,還能連結其他編碼器。如此一來就不必再動用FPGA。

測試設定

圖4顯示EnDat 2.2的測試設定。EnDat受控端是Kollmorgen公司的一款標準伺服關馬達(AKM22),在轉軸上裝有一個EnDat 編碼器(ENC1113)。另外還有三對線組(數(shù)據(jù)、時脈以及供電)把編碼器連到收發(fā)器機板。在EnDat實體層上為編碼器配置了兩個收發(fā)器與電源供應器。其中一個收發(fā)器用來支援時脈,另一個收發(fā)器用來支援數(shù)據(jù)線。EnDat主控端用的是ADSP-CM40x,另外還混用多個標準型週邊元件以及軟體。傳送埠與接收埠都是用彈性SPORT元件進行實作。

 

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圖4:實驗設定

 

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,主控端會向受控端發(fā)出一個指令,接著受控端會處理該指令并執(zhí)行必要的運算。后,受控端再把結果傳回主控端。

 

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圖5:EnDat傳送/接收程序

 

傳送時脈(Tx CLK)是由處理器ADSP-CM40x產(chǎn)生。由于系統(tǒng)各項延遲的緣故,從編碼器送出的資料訊號在送回處理器之前會和傳送訊號時脈呈現(xiàn)反相(out of phase)。為補償傳輸延遲tDELAY,處理器還會發(fā)出一個接收時脈(Rx CLK),時間點是在發(fā)出傳送時脈后延遲tDELAY 再發(fā)出。讓接收時脈和受控端接收資料的訊號同相位,這樣的作法能有效補償傳輸延遲。

 

從處理器發(fā)出的時脈訊號是屬于連續(xù)性,而EnDat通訊協(xié)定則規(guī)定在通訊時,時脈僅套用到編碼器。時脈線路(clock line)在所有其他時間則必須維持高位(high)。在經(jīng)過整整兩個時脈週期(2T)之后,主控端會根據(jù)Tx DATA指令開始發(fā)送時脈訊號。

 

指令長度為6位元,之后跟著兩個0-bit。系統(tǒng)會透過收發(fā)器控制數(shù)據(jù)的傳送方向,而處理器在傳送訊號時會把Bit Tx/Rx EN設為高位(high)。

 

當受控端準備回應時,系統(tǒng)會進入等待狀態(tài),而主控端則持續(xù)執(zhí)行(apply)時脈,但數(shù)據(jù)管線則是非運行(inactive)狀態(tài)。當受控端準備好回應,數(shù)據(jù)管線在接收資料時就會拉升到高位(high),隨后立即送出回應。主控端在收到n個位元回應后就會將CLK EN訊號設定為低位(low),藉此停止時脈訊號。在此同時,ENC CLK訊號會切至高位。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。

實驗結果

圖6顯示EnDat系統(tǒng)的測試結果。測試採用的時脈頻率為8MHz,延遲補償則是透過對接收訊號時脈進行相移。圖中訊號底部波形是從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0,隨后跟著6個1,再后面則是兩個0。指令長度總共為10個位元。編碼器的反應是從上數(shù)下來第3個訊號。組合(combined)數(shù)據(jù)管線則是從上數(shù)下來第2個訊號。而圖中上面的訊號則是套用到編碼器的時脈。

 

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圖6:EnDat資料交換

 

 

- END -

聲明:

 

- 文章轉載自

  Jens Sorenson,ADI系統(tǒng)應用工程師;Richard Anslow,ADI產(chǎn)品應用工程師,版權歸原作者所有!

- 如有偏頗,歡迎指正!

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