各類(lèi)電機(jī)位置編碼器及接口電磁兼容

電機(jī)位置編碼器廣泛用于伺服驅(qū)動(dòng)器、機(jī)器人、機(jī)床、印刷機(jī)、紡織機(jī)和電梯等工業(yè)電機(jī)控制應(yīng)用。用接口把這些編碼器連接到您系統(tǒng)的其它部分會(huì)帶來(lái)一些棘手的電磁兼容（EMC）問(wèn)題。為幫您應(yīng)對(duì)這些挑戰(zhàn)，筆者將以各類(lèi)電機(jī)位置編碼器及其接口的概述作為本系列的開(kāi)始，本系列的其余部分將深入探討如何為每種不同的電機(jī)位置編碼器類(lèi)型設(shè)計(jì)符合EMC標(biāo)準(zhǔn)的工業(yè)接口。

所需的位置/角度分辨率可根據(jù)工業(yè)驅(qū)動(dòng)器的應(yīng)用而變化，從幾位到25位或超過(guò)25位。一些驅(qū)動(dòng)器應(yīng)用甚至需要角轉(zhuǎn)動(dòng)度數(shù)。從變頻器到位置編碼器的安裝距離會(huì)有所不同，從很短的幾米（在多軸驅(qū)動(dòng)器中）到100米或100米以上。由于那種長(zhǎng)距離，電接口需經(jīng)過(guò)設(shè)計(jì)，以實(shí)現(xiàn)對(duì)電磁場(chǎng)、共模電壓、脈沖噪聲等具有高抗擾性的穩(wěn)健數(shù)據(jù)傳輸。

圖1展示了幾類(lèi)適合工業(yè)應(yīng)用的線性或角度位置反饋編碼器。

圖1：位置反饋編碼器及其對(duì)應(yīng)接口

有兩種類(lèi)型的位置編碼器：增量型位置編碼器和絕對(duì)型位置編碼器。增量型編碼器可提供關(guān)于增量位置或角度變化的信息。上電后它們不提供絕對(duì)位置，但仍然有可能在一次機(jī)械旋轉(zhuǎn)之后通過(guò)索引信號(hào)獲得。絕對(duì)型編碼器則可始終提供絕對(duì)機(jī)械位置。

增量型編碼器可顯示三種差分信號(hào)：A信號(hào)、B信號(hào)和Z信號(hào)。A信號(hào)和B信號(hào)可為增量位置變化編碼。位置分辨率取決于增量型編碼器的線數(shù)。典型的線數(shù)范圍是每轉(zhuǎn)50至10000線。Z信號(hào)通常每轉(zhuǎn)會(huì)出現(xiàn)一次，是用來(lái)推導(dǎo)出絕對(duì)位置的“原點(diǎn)索引（home index）”。

增量型編碼器接口是具有晶體管-晶體管邏輯（TTL）或高閾值邏輯（HTL）兼容的數(shù)字輸出電平的數(shù)字脈沖串或具有1Vpp或11μApp振幅的模擬正弦/余弦輸出。具有模擬輸出的編碼器通常被稱(chēng)為正弦/余弦編碼器，這類(lèi)編碼器允許的分辨率比具有TTL/HTL輸出的編碼器允許的分辨率高得多，因?yàn)槟赏ㄟ^(guò)使用具有所測(cè)正弦和余弦信號(hào)的反正切函數(shù)在一個(gè)線數(shù)內(nèi)插入其位置。這種插值能使分辨率增加16位之多，可能的總分辨率是25位或更多。所選編碼器的線數(shù)乘以旋轉(zhuǎn)速度得出的積與輸出信號(hào)的頻率成比例。

絕對(duì)型位置反饋編碼器可提供絕對(duì)位置（分辨率達(dá)25位或25位以上）。它們的電接口已從基于模擬與數(shù)字混合協(xié)議的串行接口演變成基于純數(shù)字協(xié)議的串行接口。串行通信的標(biāo)準(zhǔn)通常是供應(yīng)商特定的，并能通過(guò)雙向數(shù)據(jù)傳輸來(lái)利用RS-485或RS-422差分信號(hào)。例如，EnDat 2.2不僅可傳輸絕對(duì)位置，而且還允許從該編碼器的內(nèi)存讀出數(shù)據(jù)或?qū)?shù)據(jù)寫(xiě)入該編碼器的內(nèi)存。通過(guò)后續(xù)電子設(shè)備（通常被稱(chēng)為EnDat2.2主站）發(fā)送到EnDat2.2編碼器的模式命令，您可選擇被傳輸數(shù)據(jù)的類(lèi)型 —— 絕對(duì)位置、旋轉(zhuǎn)圈數(shù)、溫度、更多參數(shù)、診斷數(shù)據(jù)。

EnDat2.2、BiSS?和HIPERFACEDSL?等基于純數(shù)字串行協(xié)議的標(biāo)準(zhǔn)能補(bǔ)償傳播延遲并可在線纜長(zhǎng)度達(dá)100米的范圍內(nèi)支持通信。純數(shù)字協(xié)議具有恒定的時(shí)鐘頻率，該頻率不會(huì)隨旋轉(zhuǎn)速度而變化。對(duì)于大多數(shù)協(xié)議，您可選擇時(shí)鐘頻率/波特率以適應(yīng)外部因素（如線纜長(zhǎng)度）。

具有模擬與數(shù)字混合型通信接口或純數(shù)字通信接口的編碼器通常擁有供應(yīng)商特定的電源電壓范圍。表1是廣泛使用的編碼器標(biāo)準(zhǔn)的概覽。

表1：位置編碼器接口標(biāo)準(zhǔn)和電源電壓

當(dāng)用接口把這些編碼器中的任何一個(gè)連接到用于閉環(huán)控制的變頻器時(shí)，該位置接口模塊均包含以下功能塊，如圖2所示：

• 物理模擬或數(shù)字接口。

• 符合IEC 61800-3標(biāo)準(zhǔn)的電磁兼容（EMC）。

• 電源。

• 位置解碼和/或數(shù)字協(xié)議主站的信號(hào)處理。

圖2：工業(yè)驅(qū)動(dòng)器/變頻器上位置反饋接口模塊的簡(jiǎn)化方框圖

具有RS-485或RS-422接口的增量型數(shù)字HTL/TTL編碼器和絕對(duì)型數(shù)字編碼器需要較少的硬件接口工作，而模擬正弦/余弦編碼器則需要具有雙路模數(shù)轉(zhuǎn)換器的模擬信號(hào)鏈。您需要設(shè)計(jì)物理接口，以滿(mǎn)足EMC抗擾性要求，如對(duì)靜電放電（ESD）、電快速瞬變（EFT）突發(fā)和浪涌的抗擾性要求 —— IEC61800-3規(guī)定的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)如下：

• ESD：電壓為±4kV（直接接觸放電時(shí)）或±8kV（空氣放電時(shí)）。

• EFT：電壓為±2kV，頻率為5kHz，通過(guò)電容耦合鉗。

• 浪涌：電壓為±1kV，源阻抗為2Ω，通過(guò)線纜屏蔽層進(jìn)行耦合。

TTL/HTL編碼器需要最少的信號(hào)處理工作，只需一個(gè)方向正交脈沖計(jì)數(shù)器。增量型正弦/余弦編碼器也需要該正交計(jì)數(shù)器；此外，還需要進(jìn)行信號(hào)處理，以便為插值計(jì)算反正切。基于數(shù)字串行接口協(xié)議的標(biāo)準(zhǔn)需要較多的信號(hào)處理工作，并且通常在現(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)陣列（FPGA）上實(shí)施，最近則更多地在創(chuàng)新型處理器（如Sitara? AM437x，它能利用可編程實(shí)時(shí)單元子系統(tǒng)和工業(yè)通信子系統(tǒng) (PRU-ICSS) 外設(shè)）上實(shí)施。