增強電機控制編碼器應用的通信可靠性和性能

2020-11-25 電子產品世界

作者 Jens Sorenson Richard Anslow ADI公司

本文引用地址：http://www.eepw.com.cn/article/201804/379047.htm

　　Jens Sorensen，ADI公司系統應用工程師，負責工業應用的電機控制解決方案，研究方向：控制算法、電源電子和控制處理器;Richard Anslow，ADI公司產品應用工程師，負責工業應用隔離接口解決方案，研究方向：工業自動化、能源和軍事航空航天應用的通信接口與隔離魯棒性。

摘要：重點闡述了採用ADI公司50 Mbps(25 MHz)ADM3065E RS-485收發器和ADSP-CM40x混合信號控制處理器的電機控制應用。

0 引言

　　旋轉編碼器廣泛用於工業自動化系統中。此類編碼器的典型應用是電力機械，其中編碼器連接到旋轉軸，從而向控制系統提供反饋。雖然編碼器的主要用途是角度位置和速度測量，但系統診斷和參數配置等其他特性也很常見。圖1顯示了一個電機控制信號鏈，其利用RS-485收發器和微處理器連接絕對編碼器(ABS編碼器)從機和工業伺服驅動器主機，以實現對交流電機的閉環控制。

　　伺服驅動器和ABS編碼器之間的RS-485通信鏈路通常要求最高達16 MHz的高數據速率和低傳播延遲時序規格。RS-485線纜延伸長度最大值通常是50 m，但有時候也可能長達150 m。對數據通信而言，電機控制編碼器應用是具有挑戰性的環境，因為電氣噪聲和長電纜會影響RS-485信號傳輸的完整性。

　　ADM3065E RS-485收發器設計用於在電機控制編碼器之類惡劣環境中可靠地工作，並且具備增強的抗擾度和(IEC) 61000-4-2 ESD(靜電放電)魯棒性。

1 抗擾度

　　RS-485信號傳輸是平衡的差分式傳輸，本身便能抗幹擾。系統噪聲均等地耦合到RS-485雙絞線電纜中的每條導線。一個信號的發射與另一個信號相反，耦合到RS-485總線的電磁場彼此抵消。這降低了系統的電磁幹擾(EMI)。此外，ADM3065E增強的2.1 V驅動強度支持在通信中實現更高的信噪比(SNR)。給ADM3065E增加信號隔離可利用ADuM141D輕鬆實現。ADuM141D是一款採用ADI公司iCoupler®技術的四通道數字隔離器。ADuM141D的工作數據速率最高可達150 Mbps，因此它適合與50 Mbps ADM3065E RS-485收發器一起工作(如圖2)。直接功率注入(DPI)法測量器件抑制注入到電源或輸入引腳的噪聲的能力。ADuM141D採用的隔離技術已通過測試，符合DPI IEC 62132-4標準。ADuM141D抗擾度性能超過同類產品。ADuM141D在整個頻率範圍內保持了出色的性能，而其他隔離產品在200 MHz至700 MHz頻段出現位錯誤。

2 IEC 61000-4-2 ESD性能

　　編碼器到電機驅動器的裸露RS-485連接器和線纜上的ESD是一個常見系統危險因素。與變速電力驅動系統的EMC抗擾度要求相關的系統級IEC 61800-3標準，要求最低±4 kV(接觸)/±8 kV(空氣)的IEC 61000-4-2 ESD保護。ADM3065E超過了這一要求，提供±12 kV(接觸)/±12 kV(空氣)的IEC 61000-4-2 ESD保護。圖3所示為IEC 61000-4-2標準中的8 KV接觸放電電流波形與人體模型(HBM) ESD 8 KV波形的對比。從圖4中可以看出，兩個標準規定的波形形狀和峰值電流是不同的。與IEC 61000-4-2 8 kV脈衝關聯的峰值電流為30 A，相應的HBM ESD峰值電流比該數值的五分之一還小，為5.33 A。另一差異為初始電壓尖峰的上升時間，對於IEC 61000-4-2 ESD，上升時間為1 ns，相較於與HBM ESD波形關聯的10 ns時間要快得多。與IEC ESD波形關聯的功率值顯著大於HBMESD波形的相應值。HBM ESD標準要求待測設備(EUT)經受3次正放電和3次負放電，而IEC ESD標準則要求10次正放電和10次負放電測試。與標稱多種HBM ESD保護級別的其他RS-485收發器相比，具有IEC 61000-4-2 ESD額定值的ADM3065E更適合在惡劣環境中工作。

3 EnDat通信協議

　　編碼器使用的通信協議有很多種，例如EnDat、BiSS、HIPERFACE和Tamagawa。儘管有區別，但編碼器通信協議在實現方面具有相似點。這些協議的接口是串行雙向管道，符合RS-422或RS-485電氣規範。雖然硬體層有相同之處，但運行每種協議所需的軟體是獨一無二的。通信堆棧和所需的應用程式代碼均特定於協議。本文主要說明EnDat 2.2接口主機側的硬體和軟體實現。

4 延遲影響

　　延遲分為兩類：第一類是電纜的傳輸延遲，第二類是收發器的傳播延遲。電纜延遲由光速和電纜的電介質常數決定，典型值為6 ns/m至10 ns/m。當總延遲超過半時鐘周期時，主機和從機之間的通信就會出故障。對此，設計人員有如下選擇：

　　1) 降低數據速率;

　　2) 減小傳播延遲;

　　3)在主機側提供延遲補償。

　　選項3可同時補償電纜延遲和收發器延遲，因此是確保系統能以高時鐘速率通過長電纜運行的有效辦法。缺點是延遲補償會增加系統的複雜性。在延遲補償不可行的系統中，或在電纜較短的系統中，使用傳播延遲短的收發器具有明顯的優勢。低傳播延遲使得時鐘速率可以更高，而且不必在系統中引入延遲補償。

5 主機實現

　　主機實現包括串行埠和通信堆棧。編碼器協議並不兼容標準埠(例如UART)，故無法使用大多數通用微控制器上的外設。不過，利用FPGA的可編程邏輯可以在硬體中實現專用通信埠，並支持延遲補償等高級特性。FPGA方法雖然很靈活，可以針對具體應用進行定製，但也有缺點。與處理器相比，FPGA成本高，功耗大，而且上市時間長。

　　本文討論的EnDat接口是在ADI公司的ADSP-CM40x上實現，後者是一款針對電機控制驅動器而開發的處理器。除了脈寬調製器(PWM)定時器、模數轉換器(ADC)和sinc濾波器等用於電機控制的外設以外，ADSP-CM40x還有高度靈活的串行埠(SPORT)。

　　這些SPORT可以仿真多種協議，包括EnDat和BiSS等編碼器協議。由於ADSP-CM40x的外設很豐富，所以它不僅能執行高級電機控制，而且能與編碼器接口。換言之，無需使用FPGA。

6 測試設置

　　EnDat 2.2測試設置如圖4所示。EnDat從機是Kollmorgen的一款標準伺服電機(AKM22)，EnDat編碼器(ENC1113)安裝在軸上。三對線(數據、時鐘和電源線)將編碼器連接到收發器板。EnDat PHY上有兩個收發器和用於編碼器的電源。一個收發器用於時鐘，另一個收發器用於數據線路。EnDat主機由ADSP-CM40x結合標準外設和軟體而實現。發送埠和接收埠均利用靈活的SPORT實現。

　　EnDat協議包括多種長度不同的幀，不過這些幀全都基於相同序列，如圖5所示。首先，主機發送命令至從機，然後從機處理命令並執行必要的計算。最後，從機將結果送回主機。

　　發送時鐘(Tx CLK)由處理器ADSP-CM40x產生。由於系統延遲，來自編碼器的數據在返回處理器之前會與發送時鐘錯相。為補償傳輸延遲tDELAY，處理器還會產生一個接收時鐘(Rx CLK)，它比發送時鐘延遲tDELAY。讓接收時鐘與自從機收到的數據同相是補償傳輸延遲的有效辦法。

　　來自處理器的時鐘信號是連續的，而EnDat協議規定，時鐘只能在通信期間施加於編碼器。在所有其他時候，時鐘線路必須保持高電平。為此，處理器產生一個時鐘使能信號CLK EN，其被送至ADM3065E數據使能引腳。恰好兩個時鐘周期(2T)之後，主機開始在Tx DATA上發出命令。

　　命令有6位長，隨後是兩個0位。為了控制收發器的數據方向，處理器在傳輸時將Tx/Rx EN位置1。

　　在從機準備響應的同時，系統進入等待狀態，主機繼續施加時鐘，但數據線無效。當從機準備就緒時，數據線接收數據被拉高，然後立即發送響應。收到n位響應之後，主機將CLK EN信號設為低電平以停止時鐘。與此同時，ENC CLK信號變為高電平。數據流為半雙工式， ENC數據圖為畫在一起的收發數據流。

7 實驗結果

　　圖6顯示了EnDat系統的測試結果。測試使用的時鐘頻率為8 MHz，延遲補償通過接收時鐘相移實現。底部信號是來自EnDat主機的命令。此處顯示的命令為「發送位置」，其前面是兩個0，接著是六個1，最後又是兩個0。該命令總共有10位。編碼器的響應是從頂部起的第三個信號。合併數據線是從頂部起的第二個信號。最後，頂部信號是施加於編碼器的時鐘。

　　本文來源於《電子產品世界》2018年第5期第67頁，歡迎您寫論文時引用，並註明出處。

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