将RS-485用于数字发动机控制应用

II. 数据传输问题与485的应对方法

数字传动控制应用对在实现系统部件之间有效、可靠的通信方面面临众多挑战。根据其内在性质，这会涉及到机电传动装置，而这种装置会产生电气噪声及较高的电流电平。安全性和可靠性进一步要求通信通道必须非常可靠，以便控制运动机构。另外与运动应用相伴而来的还有对线缆路由的限制，这需要更长的布线。伺服系统的稳定性对信令速率也有额外要求。

a. 环境

i. EMI/抗扰性

电磁干扰（EMI）会破坏发动机控制系统中的信号。典型的EMI源是发动机驱动电压、发动机电刷噪声、工具源、以及来自时钟、显示器和其他计算机组件的电气噪声。在模拟系统中，噪声信号可能会造成有害的运动或不稳定性。由于二进制编码的内在信噪比，数字系统的主要问题是寄生脉冲，这可能会被解释成指令或反馈信号。

RS-485 信令标准包含了非常适于解决这些 EMI 问题的功能。RS-485 信令具有平衡及差分的特点，一般通过双绞线进行传输。它会导致任何电气噪声都会被等同连接到两条线路上。因此，由于接收器对差分电压很敏感，这种噪声会被消除，而电压差会继续携带该信号信息。

RS-485 信号电平进行了定义，因此对于任何有源驱动器，一条线路为高电平驱动，另一条为低电平驱动。两条线路上的电压差必须高于 1.5V 或者低于 -1.5V，以便传输有效状态。这适用于所有有效负载条件。

接收器规格对于EMI噪声消除极其重要。485标准要求在接收差分信号强度达到200mV以上时对有效状态进行检测。这种灵敏度可以弥补线缆中的损耗，而这种损耗会在驱动器端将信号幅度降至1.5V以下（或更低）。

接收器磁滞虽然在485标准中未予以规定，但也非常重要，它是低电平到高电平以及高电平到低电平传输阈值之间的差分。

javascript:window.open(this.src);" style="cursor:pointer;"/>
图4：具有及没有磁滞的接收器功能

因为不存在完美平衡的线对，因此 EMI 源会产生以下差分噪声。如果没有接收器磁滞，无论是由于有效信号改变还是噪声响应，接收器均会在每次输入交叉（0差分电压）时改变状态。因此，需要磁滞来避免寄生脉冲，在空闲总线或过渡期间更是如此。这些寄生脉冲会被解释成编码器计数、阶跃指令（step command）或传动装置信号，其取决于它们在系统中出现的位置。接收器磁滞值越高就越能抵抗EMI噪声。一般RS-485接收器的磁滞为40～60mV，而磁滞达到100mV的接收器可应对尤为恶劣的电气噪声环境，如：数字发动机控制。

javascript:window.open(this.src);" style="cursor:pointer;"/>
图5：磁滞可消除寄生过渡

ii. 接地电势／共模

另一个可影响传动控制应用中通信的电气挑战是驱动器与接收器节点之间的接地参考参考。电流负载（如：高功率工具可能产生的电流负载）会造成这类问题。由于发动机反向 EMI、设备故障以及附近闪电产生的二次浪涌（secondary surge），会出现局部电压浪涌。

通过示例可说明在传动控制应用中如何会出现接地偏移。设想一个典型的发动机与放大器／控制器，它们采用一定长度的线缆相互连接来进行通信并提供电源。

如果节点1与2之间的 24V 电源采用50米 14 AWG 线缆连接的话，则RCOPPER 大约为 0.5Ohm。在正常操作中，发动机电流低于 2A。但是在失速故障（stall fault）情况下，电流可能激增到 10A。由于接地线上的压降，这会导致 GND1 与 GND2 之间 5V 的压差。因此，任何引用 GND1 的信号在节点2被接收到时都会出现 -5V 的偏移。由于所有信号都会受到普通偏移的影响，因此其称为共模电压偏移。

尽管这种情况会阻止与单端数据传输之间的可靠通信，但 5V 接地偏移仍处于标准 RS-485 共模电压 (VCM) 范围之内。由于节点1的差分信号进行了同等偏移，因此差模信号仍然有效，而 RS-485 接收器也将可靠地接收正确的信号。

javascript:window.open(this.src);" style="cursor:pointer;"/>
图6：带有接地电势偏移的系统

TI 的所有RS-485收发器均可满足或超出可在介于-7～12V共模电压范围内操作的 TIA/EIA-485标准要求。对于更宽VCM范围的操作，诸如 SN65HCD22 的新产品将在-20V～25V的共模范围内操作。

iii. ESD

静电放电 (ESD) 对于通过线缆连接的所有电路都是非常危险的，其可能导致产生处理或外部高电压。诸如 JEDEC 人体模型 (HBM) 与IEC ESD 抗扰性测试 (IEC 61000-4-2) 等各种测试方法可用于模拟差分ESD危险。某些收发器具有集成到总线电路中的 ESD 保护功能。

典型的保护电平为 8kV～15kV，而诸如 SN65LBC184 的某些收发器可提供超过30kV的事件保护。任何特定应用所需的保护电平很难进行预测，但设计人员应考虑以下因素：

• 收发器所处的电气环境
• 处理条件与线缆接入频率
• 确定故障点的诊断程序
• 替换停机时间以及相关的人力费用

另一类电气危险是由于瞬态（浪涌）过压造成的损害。由击穿次级电源变压器的闪电或者由机器故障导致的局部电源故障会造成这类事件。IEC61000-4-5 中规定了这种危险类型的测试方法。一般通过添加外部保护二极管来提供这种能量消散的安全通道。带有集成瞬态电压抑制电路的 SN65LBC184 能够保护浪涌电压电源超过 400W 的总线输入。

iv. 一般强度

其他考虑因素与发动机控制应用的苛刻环境

上一页  [1] [2] [3] [4]  下一页