将RS-485用于数字发动机控制应用

I. 简介

数字发动机控制采用数字处理器来控制电动机的运转。一般情况下数字处理器可采用一种或多种反馈方式，使其构成一个闭环系统。这可比作模拟控制系统和开环传动系统。

许多应用都采用了数字发动机控制，包括存储设备（如：磁盘驱动器）、工业机器人、高精度半导体制造、打印机以及复印机等。

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图1 ：数字发动机控制框图

a. 发动机设备

数字发动机控制可采用多种类型的发动机。最常用的类型是超小功率旋转发动机。它们可以进一步分为AC、DC电刷或DC无电刷型，这主要取决于其整流方式。小型发动机的尺寸设计一般取决于框架尺寸和瓦功率。而一般像 AC 型这样较大的发动机，是根据其马力功率进行分类的。尽管旋转发动机是最常用的类型，但也可获得其他类型，如：线性发动机以及带各种传动装置的减速发动机（gearhead motor）。

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图 2：旋转发动机

b. 反馈

为提供有关位置、速度、扭矩或传动系统其他动力属性的反馈，需要具备反馈传感器。最常用的反馈传感器可能是旋转编码器，它是由安装在发动机轴上、带有变化条带的转轮构成的。在发动机转动时，光传感器会检测条带的经过并生成电信号，控制器可利用这些信号来确定发动机的转动情况。其他类型的传感器为转速计、同步器和分解器，这些均是基于电感的传感器；另外还有基于电磁的霍尔效应传感器以及基于电阻的电位计。

无论采用哪种传感器方式，数字控制器必须重复采样传感器信号，以便不断了解系统的当前动力运转情况。根据系统对速度、动力响应及精度的要求，反馈采样率可超过每秒几千次采样。

c. 控制器

无论是数字控制器还是模拟控制器，都需要与系统的预定转动和实际动力进行比较，同时处理相关输入，来产生对传动装置的控制信号。如果采用数字控制器，会需要一些附加任务，包括系统启动例程、诊断程序、通信控制以及多个采样传感器。

数字控制器可能像专用计算机处理器般复杂，也可能如单芯片编程门阵列般简单。设计人员不仅可设计出具有为传动控制而优化的功能的数字信号处理器，还可设计出具有可变功能的微控制器，以便实现适应众多应用的最佳解决方案。请参见 www.ti.com 上的"数字控制"部分。

d. 数据传输

本节将重点讨论在发动机控制和传动控制应用中采用 RS-485 的优势。如下所述，该技术在与抗扰性、广泛的共模范围、充足的数据速率以及多点功能有关的这些应用中具有众多优势。其他应用也采用 RS-485 信令，以期利用这些相同优势。因此，诸如过程控制网络、工业自动化、远程终端、建筑自动化和安全系统等应用均广泛采用了RS-485，以便满足对强大可靠的远距离数据传输的需要。通常 RS-485 信令与 Profibus、Interbus、Modbus 或 BACnet 一起使用，这些协议都是针对最终用户的特殊需求而量身定做的。

如果 R-485 的优势不足以满足需求，还可以采用其他信令技术。例如，RS-232 或 RS-422 信令技术在某些应用中可能是非常适用的，而在另外一些应用中可能会首选CAN（控制器局域网）或 EtherNet/IP（行业协议），因为它们可与现有网络进行兼容。对于高速应用以及对长途及共模电压要求不高的情况，M-LVDS可提供较低的功耗。在 www.ti.com 上的应用手册"总线方案对比"中讨论了多种替代方法。

e. 基本拓扑

在所示的传动控制应用示例中，需要特别注意多个不同接口的数据传输问题。下表说明了信号的多种分类并总结了信令速度和信号电平的关键特性。

该表显示了任何数据传输方案都必须具有广泛的操作范围，以便适应各种数字传动控制需要。RS-485信令技术由于速率范围介于 DC～10MHz 以上，并且具有强大可靠的信号电平，因此可很好地满足大多要求。图3显示了这些信号。请注意：该图显示了单轴系统；多轴系统可共享相同的控制器并把相关机构（mechanics）连接到相同的工具或负载上。

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图3：发动机控制系统中的接口（单轴）

根据特定应用的物理安排，控制器、伺服放大器、发动机和负载之间可能会有比较大的距离。除了距离之外，在设计这些系统时还应该考虑其他因素，如：电气噪声、温度和线缆故障等。尽管存在距离或环境条件干扰，但有效数据传输

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