运动控制模块在直流无刷电机伺服系统中的应用

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1、运动控制模块在直流无刷电机伺服系统中的应用鲁思慧鲁思慧先生，艾伦电气自动化技术有限公司高级工程师。关键词：运动控制模块接收电路正交编码器反馈与接口一运动控制及系统简介运动控制(包括轨迹控制、伺服控制)与顺序控制、过程控制、传动控制并列为典型的控制模式，是一直以来扮演重要支柱角色的自动控制系统。它在许多高科技领域得到了非常广泛的应用，如激光加工、机器人、数控机床、大规模集成电路制造设备、雷达、各种军用武器随动系统以及柔性制造系统(FlexibleManufacturingSystem,FMS)等。运动控制系统的组成主要

2、由5部分构成，见图示。其运动控制芯片或模块是作为伺服与步进控制用。图中可见PowerDrives(传动装置)将运动控制模块与特定应用电机、编码器、限制器、用户(运动)I/O连接在一起。用一根控制电缆连接运动控制模块与PowerDrives，为全部的命令集与反馈信号提供一个通道。当PowerDrive的性能不能满足应用需要时，用户还可选择通用运动接口(UMI)螺丝接线端子附件，与第三方电机和驱动器／放大器连接。因为一般盛行解决方案均为封闭式结构系统，所以基于计算机的运动解决方案所拥有的附加灵活性及低成本潜力使其受到普遍

3、欢迎。随着功率电子、微电子、计算机及控制技术的进步，以交流伺服电动机为执行电动机的交流伺服驱动具有可与直流伺服驱动相比拟的特性，从而使交流伺服电动机固有优势得到充分发挥，交流伺服驱动已成为现代伺服驱动发展的方向。交流伺服技术自20世纪90年代初发展至今，技术日臻成熟，性能不断提高，现已广泛应用于数控机床、印刷包装机械、纺织机械、自动化生产线等自动化领域。为用户提高加工精度和工艺水平，取得良好经济技术效益，提供最佳的解决方案。而当今的应用，迫切需要的是可在苛刻复件下，一天24h连续工作、可靠耐用的工业机器人和自动机械装

4、置。今天的大多数性能改进要归功于新技术和微电子技术的发展。这些创新消除了机器人和自动机械装置共用工作空间时产生的碰撞，改进了任务分配，并提高了伺服系统精确性，从而使自动机械系统更加可靠地工作。由于运动控制芯片或模块是能为一般伺服与步进应用提供精确、高性能的运动功能，所以简单易用的运动控制模块、软件、以及外设可为运动和测量集成需求提供最佳的集成解决方案。本文着重讨论运动控制模块在直流无刷电机伺服系统中的应用，并对其主要运动控制模块的接收电路与正交编码器信号电缆技术作分析说明。二运动控制模块的应用—直流无刷电机伺服系统运

5、动控制模块要在直流无刷电机伺服系统中得到应用，它必须组成闭环系统的运动控制系统，这是现代的自动化系统为了完成运动控制所特有的特征。该直流无刷电机伺服系统由运动控制模块(卡)与伺服电机、驱动器和反馈元件(反馈用正交编码器)组合及编程/操作接口软件等组成。它能对于速度和位置提供精确与稳定的控制。图2所示为运动控制模块组成的直流无刷电机伺服系统方框图。从图中看出，其运动控制模块正交编码器的接口电路，就是运动控制模块的编码输入电路，即接收器电路，它接收通过反馈编码器电缆传送来的正交编码器的输出信号。对高性能、高速的应用系统而

6、言，直流无刷电机是可用的。这种电机的轴端装有测定轴速和换向点的正交编码器，用于控制电机的线圈切换顺序。而第二个正交编码器安装在机械装置的旋转轴上，它输出旋转轴的位置数据信号，使由于传动装置和导螺杆中的齿隙所导致误差而引起旋转轴位置和电机轴位置不一致的问题得到解决。典型的运动控制模块包含一个微处理器和一个用于处理高速编码信号的DSP或定制ASIC(专用集成电路)。运动控制模块为驱动器或放大器提供一个控制转动速度和方向的信号，驱动器把它转换为适当的电压和电流(功率)去驱动电机运转。这样的运动控制模块在直流无刷电机伺服系统

7、中的应用就能使系统成为坚固的、具有容错能力的运动控制反馈系统。三运动控制模块的接收电路(1)本系统采用MAX3095型芯片接收器电路与正交编码器电缆—端子电阻匹配电路组合作为其接口电路。IC1MAX3095型芯片是一个10Mb/s、5V、四通道RS-422/485接收器，具有±5kVESD保护。正交编码器输出6路RS-422/485信号(A、A、B、B、INDEX和INDEX)，通过电缆传送至运动控制模块的接收电路MAX3095型。接收电路把RS-422信号转换为逻辑电平信号(由于系统只有一个发送器，现设定它是RS-

8、422信号)，并把信号送至运动控制模块或DSP或ASIC进行处理。接收电路必须对来自伺服系统的各种故障包括开路、短路、噪声等做出反应。图3所示是一个典型的运动控制模块的编码信号输入接收器电路。由于对于一个容错系统来讲，编码信号输入电路要和外部元件相连接，ESD保护是必须的。所以IC1要用MAX3095型具有±5kVESD保护的MAX3095芯片