葉云燕

    目前的應(yīng)用正迫切需要可以在苛刻條件下一天24小時(shí)連續(xù)工作的、可靠耐用的工業(yè)機(jī)器人和自動(dòng)機(jī)械裝置。這樣的系統(tǒng)要求遠(yuǎn)比以前具有精確的電機(jī)和反饋控制，今天的大多數(shù)性能改進(jìn)要?dú)w功于新技術(shù)和微電子技術(shù)的發(fā)展。這些創(chuàng)新消除了機(jī)器人和自動(dòng)機(jī)械裝置共用工作空間時(shí)產(chǎn)生的碰撞，改進(jìn)了任務(wù)分配并且提高了伺服系統(tǒng)的精確性，從而使自動(dòng)機(jī)械系統(tǒng)更加可靠地工作。一個(gè)堅(jiān)固工作系統(tǒng)的關(guān)健在于它處理機(jī)械和電氣故障的方法。

    伺服系統(tǒng)

    現(xiàn)代的自動(dòng)化系統(tǒng)為了完成運(yùn)動(dòng)控制都要組成閉環(huán)系統(tǒng)。運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)一般都含有一個(gè)伺服系統(tǒng)，該系統(tǒng)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器和反饋元件組合而成，對(duì)于速度和位置提供精確、穩(wěn)定的控制。一個(gè)典型的伺服系統(tǒng)的組成如圖1所示。

    對(duì)高性能、高速的應(yīng)用系統(tǒng)，直流無(wú)刷電機(jī)是可取的。值此所述系統(tǒng)均采用的是無(wú)刷電機(jī)。這種電機(jī)的軸端裝有測(cè)定軸速和換向點(diǎn)的正交編碼器，用于控制電機(jī)的線圈切換順序。第二個(gè)正交編碼器安裝在機(jī)械裝置的旋轉(zhuǎn)軸上，它輸出旋轉(zhuǎn)軸的位置數(shù)據(jù)信號(hào)，由于傳動(dòng)裝置和導(dǎo)螺桿中的齒隙所導(dǎo)致的誤差，使得旋轉(zhuǎn)軸的位置和電機(jī)軸的位置不一致。典型的運(yùn)動(dòng)控制卡或模塊包含一個(gè)運(yùn)動(dòng)控制芯片，一個(gè)微處理器和一個(gè)用于處理高速編碼信號(hào)的DSP或定制ASIC�？刂破鳛轵�(qū)動(dòng)器或放大器提供一個(gè)控制轉(zhuǎn)動(dòng)速度和方向的信號(hào)，驅(qū)動(dòng)器把它轉(zhuǎn)換為適當(dāng)?shù)碾妷汉碗娏?功率)去驅(qū)動(dòng)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)。要設(shè)計(jì)一個(gè)堅(jiān)固的、具有容錯(cuò)能力的運(yùn)動(dòng)控制反饋系統(tǒng)，在設(shè)計(jì)過(guò)程中要涉及以下幾個(gè)方面的內(nèi)容：

    ·控制器—編碼器輸入電路(接收器電路)

    ·接收器印刷電路板的設(shè)計(jì)

    ·編碼器信號(hào)電纜系統(tǒng).

    控制器接收電路

    電機(jī)的正交編碼器輸出6路RS-422／RS—485(MAX3095)信號(hào)(A、 、B、B、INDEX和 )，通過(guò)電纜傳送至運(yùn)動(dòng)控制器的接收電路——編碼器信號(hào)輸入電路。接收電路把RS-422信號(hào)轉(zhuǎn)換為邏輯電平信號(hào)(由于系統(tǒng)只有一個(gè)發(fā)送器，現(xiàn)設(shè)定它是RS-422信號(hào))，并把信號(hào)送至運(yùn)動(dòng)控制電路進(jìn)行處理。接收電路必須對(duì)來(lái)自伺服系統(tǒng)的各種故障包括開(kāi)路、短路、噪聲等做出反應(yīng)。圖2所示是一個(gè)典型的運(yùn)動(dòng)控制器的編碼信號(hào)輸入接收電路。

    IC1是一個(gè)10Mbps、5V、四通道RS-422／RS-485接收器，具有引5kV ESD保護(hù)。對(duì)于一個(gè)容錯(cuò)系統(tǒng)來(lái)講，由于編碼信號(hào)輸入電路要和外部元件相連接，ESD保護(hù)是必須的。省去外部ESD防護(hù)部件，可以大大減少印刷電路板的面積。從正交編碼器發(fā)出的信號(hào)通過(guò)雙絞線傳送到接收電路，每對(duì)互補(bǔ)信號(hào)線A、 或B、 之間跨接一個(gè)150Ω電阻提供適當(dāng)?shù)亩私�。�?dāng)發(fā)生電纜斷裂或脫離等開(kāi)路故障時(shí)，要想運(yùn)動(dòng)控制器采取適當(dāng)?shù)男袆?dòng)，首先必須檢測(cè)到這些故障。作為一種失效保護(hù)措施，當(dāng)輸入信號(hào)線開(kāi)路時(shí)，MAX3095接收器會(huì)輸出邏輯高。1kΩ偏置電阻使輸入端“A”的電壓至少比輸入端“B”高200mV。當(dāng)有輸入端接電阻時(shí)，它們?nèi)孕璞３质�效保護(hù)輸出。這個(gè)電路具有ESD防護(hù)、開(kāi)路檢測(cè)和輸出短路保護(hù)，但不能檢測(cè)輸人短路。

    另一種改進(jìn)的電路(圖3)包含了2片IC，每片都包含三路RS—422／RS-485(MAX3098)接收器。各接收器均具有內(nèi)置的故障檢測(cè)、±15kVESD保護(hù)和32Mbps的數(shù)據(jù)速率。MAX3098E能檢測(cè)接收器輸入開(kāi)路和短路故障，也能檢測(cè)低電壓差分信號(hào)和共模范圍超限等其它故障。它的邏輯電平輸出能夠指示哪一路接收器輸入發(fā)生了故障。這種直接的故障報(bào)告降低了軟件開(kāi)銷，并將外部邏輯元件減到最少。

    任何一路編碼器輸入發(fā)生故障都會(huì)立即在相應(yīng)輸出發(fā)出邏輯高信號(hào)：ALARMA、ALARMB或ALARMZ。伺服系統(tǒng)移動(dòng)緩慢時(shí)，會(huì)在正交編碼器信號(hào)的過(guò)零區(qū)域產(chǎn)生瞬時(shí)故障，觸發(fā)“假故障”。通過(guò)選擇電容C-延遲的值，可將ALARMD輸出(ALARMA、ALARMB和ALARMZ的邏輯或)延遲適當(dāng)?shù)臅r(shí)間。120Ω電阻為RS422電纜提供適當(dāng)?shù)亩私�。由于IC采用16引腳QSOP封裝，僅需很少的外圍元件，因而在印刷電路板上占用的空間也很小。      

    接收電路