運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)于運動控制及系統(tǒng)

應(yīng)該說運動控制系統(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、帶反饋和運動I/O的馬達(dá)（伺服或步進(jìn)）、馬達(dá)驅(qū)動單元、運動控制模塊、以及編程/操作接口軟件，見圖1所示，其運動控制芯片或模塊是作為伺服與步進(jìn)控制用。

圖1：為運動控制系統(tǒng)組成示意框圖

從圖1可見Power Drives（傳動裝置）將運動控制模塊與特定應(yīng)用馬達(dá)、編碼器、限制器、用戶（運動）I/O連接在一起，用一根控制電纜連接運動控制模塊與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。

因為一般盛行的解決方案均為封閉式結(jié)構(gòu)系統(tǒng), 所以基于計算機(jī)的運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)要歸功于新技術(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、高性能的運動功能，故可以簡單易用的運動控制模塊、軟件、以及外設(shè)為運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。

運動控制模塊的應(yīng)用—直流無刷電機(jī)伺服系統(tǒng)

運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)的運動控制系統(tǒng)，這是現(xiàn)代的自動化系統(tǒng)為了完成運動控制所持有的特征。

該直流無刷電機(jī)伺服系統(tǒng)由運動控制模塊（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)，而其運動控制模塊正交編碼器的接口電路，就是運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)運轉(zhuǎn)。這樣的運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)成為堅固的、具有容錯能力的運動控制反饋系統(tǒng)。那么如何應(yīng)用？也就說是如何設(shè)計呢？.

■ 運動控制模塊與正交編碼器輸出之間的接口電路，即運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。

運動控制模塊的接收電路

1、運動控制模塊的編碼輸入電路-接收器電路，實際上就是運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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