運(yùn)動控制模塊在直流無刷電機(jī)伺服系統(tǒng)中的應(yīng)用

關(guān)于運(yùn)動控制及系統(tǒng)

應(yīng)該說運(yùn)動控制系統(tǒng)己經(jīng)問世多年了，大家對此并不陌生，并在各個領(lǐng)域得到應(yīng)用。

而運(yùn)動控制（包括軌跡控制、伺服控制）與順序控制、過程控制、傳動控制并列為典型的控制模式，是一直以來扮演重要支柱技術(shù)角色的自動控制系統(tǒng)，在許多高科技領(lǐng)域得到了非常廣泛的應(yīng)用，如激光加工、機(jī)器人、數(shù)控機(jī)床、大規(guī)模集成電路制造設(shè)備、雷達(dá)和各種軍用武器隨動系統(tǒng)，以及柔性制造系統(tǒng)（FMS-Flexible Maunfacturing systm）等等。運(yùn)動控制系統(tǒng)主要由五部分構(gòu)成：被移動的機(jī)械設(shè)備、帶反饋和運(yùn)動I/O的馬達(dá)（伺服或步進(jìn)）、馬達(dá)驅(qū)動單元、運(yùn)動控制模塊、以及編程/操作接口軟件，見圖1所示，其運(yùn)動控制芯片或模塊是作為伺服與步進(jìn)控制用。

圖1：為運(yùn)動控制系統(tǒng)組成示意框圖

從圖1可見Power Drives（傳動裝置）將運(yùn)動控制模塊與特定應(yīng)用馬達(dá)、編碼器、限制器、用戶（運(yùn)動）I/O連接在一起，用一根控制電纜連接運(yùn)動控制模塊與Power Drives，為全部的命令集與反饋信號提供一個通道。當(dāng)PowerDrive的性能不能滿足應(yīng)用需要時，用戶還可選擇通用運(yùn)動接口（UMI）螺絲接線端子附件，與第三方馬達(dá)和驅(qū)動器/放大器連接。

因?yàn)橐话闶⑿械慕鉀Q方案均為封閉式結(jié)構(gòu)系統(tǒng), 所以基于計算機(jī)的運(yùn)動解決方案所擁有的附加靈活性及低成本潛力使其受到普遍歡迎。

隨著功率電子技術(shù)、微電子技術(shù)、計算機(jī)技術(shù)及控制原理的進(jìn)步，以交流伺服電動機(jī)為執(zhí)行電動機(jī)的交流伺服驅(qū)動具有了可與直流伺服驅(qū)動相比擬的特性，從而使得交流伺服電動機(jī)固有的優(yōu)勢得到了充分的發(fā)揮，交流伺服驅(qū)動已成為現(xiàn)代伺服驅(qū)動發(fā)展的方向。

而當(dāng)今的應(yīng)用最迫切需要可以在苛刻條件下一天24小時連續(xù)工作的、可靠耐用的工業(yè)機(jī)器人和自動機(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)器人和自動機(jī)械裝置共用工作空間時產(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，從而使自動機(jī)械系統(tǒng)更加可靠地工作。由于運(yùn)動控制芯片或模塊能為一般伺服與步進(jìn)應(yīng)用提供精確、高性能的運(yùn)動功能，故可以簡單易用的運(yùn)動控制模塊、軟件、以及外設(shè)為運(yùn)動和測量集成需求提供最佳集成解決方案。本文著重討論運(yùn)動控制模塊在直流無刷電機(jī)伺服系統(tǒng)中的應(yīng)用，并對其主要運(yùn)動控制模塊的接收電路與正交編碼器信號電纜技術(shù)作分析說明。

運(yùn)動控制模塊的應(yīng)用—直流無刷電機(jī)伺服系統(tǒng)

運(yùn)動控制模塊要在直流無刷電機(jī)伺服系統(tǒng)中得到應(yīng)用，它必須組成閉環(huán)的運(yùn)動控制系統(tǒng)，這是現(xiàn)代的自動化系統(tǒng)為了完成運(yùn)動控制所持有的特征。

該直流無刷電機(jī)伺服系統(tǒng)由運(yùn)動控制模塊（卡）與伺服電機(jī)、驅(qū)動器和反饋元件（反饋用正交編碼器）組合及編程/操作接口軟件等組成，它能對于速度和位置提供精確與穩(wěn)定的控制。圖2所示為運(yùn)動控制模塊組成的直流無刷電機(jī)伺服系統(tǒng)方塊圖。

圖2：運(yùn)動控制模塊的應(yīng)用－直流無刷伺服系統(tǒng)框圖

從圖2看出，該運(yùn)動控制系統(tǒng)是含有一個直流無刷電機(jī)的伺服系統(tǒng)，而其運(yùn)動控制模塊正交編碼器的接口電路，就是運(yùn)動控制模塊的編碼輸入電路，即接收器電路，它接收通過反饋編碼器電纜傳送來的正交編碼器的輸出信號。

對高性能、高速的應(yīng)用系統(tǒng)而言，直流無刷電機(jī)是可用的，故此處所述系統(tǒng)均是直流無刷電機(jī)伺服系統(tǒng)。這種電機(jī)的軸端裝有測定軸速和換向點(diǎn)的正交編碼器，用于控制電機(jī)的線圈切換順序。而第二個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，使由于傳動裝置和導(dǎo)螺桿中的齒隙（兩個或多于齒輪間的間隙）所導(dǎo)致的誤差而引起旋轉(zhuǎn)軸的位置和電機(jī)軸的位置不一致問題得到解決。

典型的運(yùn)動控制模塊包含一個微處理器和一個用于處理高速編碼信號的DSP或定制ASIC（專用集成電路）。運(yùn)動控制模塊為驅(qū)動器或放大器提供一個控制轉(zhuǎn)動速度和方向的信號，驅(qū)動器把它轉(zhuǎn)換為適當(dāng)?shù)碾妷汉碗娏鳎üβ剩┤ヲ?qū)動電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)。這樣的運(yùn)動控制模塊在直流無刷電機(jī)伺服系統(tǒng)中的應(yīng)用就能使系統(tǒng)成為堅(jiān)固的、具有容錯能力的運(yùn)動控制反饋系統(tǒng)。那么如何應(yīng)用？也就說是如何設(shè)計呢？.

■ 運(yùn)動控制模塊與正交編碼器輸出之間的接口電路，即運(yùn)動控制模塊的輸入電路-接收器電路，它是系統(tǒng)的關(guān)鍵；
■ 接收器印刷電路板的設(shè)計；
■ 正交編碼器信號電纜系統(tǒng)的應(yīng)用。

運(yùn)動控制模塊的接收電路

1、運(yùn)動控制模塊的編碼輸入電路-接收器電路，實(shí)際上就是運(yùn)動控制模塊與正交編碼器輸出之間的接口電路。本系統(tǒng)采用MAX3095型芯片接收器電路與正交編碼器電纜-端子電阻匹配電路組合作為其接口電路。

IC1 MAX3095型芯片是一個10Mbps、5V、四通道RS-422/RS-485接收器，具有

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