设计耐用且容错的运动控制反馈系统(二)

        为成功设计出鲁棒且容错的运动控制系统设计，设计工程师必须了解接收器IC、编码器信号电缆、终端匹配和PCB设计的重要性。本文将对运动控制系统设计中的关键问题进行讨论。
改进的电路使用两个MAX-3098E IC。每个IC都带有三个RS-422/RS-485接收器(图3)，每个接收器都提供内置故障检测、±15kV ESD保护和32Mbps数据速率。MAX3098E检测开路和短路编码器输入。它还可以检测低压差分信号、共模范围违例和其它错误。它的逻辑电平输出指示哪个接收器输入处于故障状态。通过直接报告故障，该功能可减少软件开销并且最大限度地减少对外部逻辑元件的需求。

        任何编码器输入错误都会立即在相应输出(ALARMA、ALARMB或者ALARMZ)上产生逻辑高电平。伺服系统运行较慢会在正交编码器信号的零交点区域产生瞬态故障，从而触发“伪错误(false fault)”。通过选择C_Delay值，将ALARMD输出(ALARMA、ALARMB和ALARMZ的逻辑OR)延迟想要的一段时间间隔。120 Ω电阻为电缆提供适当的RS-422终端匹配。由于IC可以提供 16管脚的QSOP封装，所以该电路需要的元件很少，占用的PCB空间也很少。

接收器电路的PCB设计

         正确的接收器电路设计是从RS-422编码器输入连接器开始的。差分信号对(A、A-；B、B-；Index、Index-)必须占据连接器上的相邻管脚。这种配置通过确保差分对的信号回流路径相互重叠并抵消，使信号的不平衡最小化。图4给出了典型的元件布局。为确保每个PCB走线都具有相同的寄生电容，应将每个差分对走线紧密地布在一起，并保持长度相等、弯曲对称。




        为尽量减少数字输出上的感性和容性串扰并提供更低的电感，连接器和接收器差分RS-422信号的走线应布在紧邻地平面的PCB内层，而且地平面线板不应有任何高速电流信号。

        运动控制器电路中的高速电流开关会产生共模噪声。使用滤波器和旁路电容器有助于减少与电源线路耦合的共模电压效应。应在靠近接收器的VCC输入端放置一个0.1?F的旁路电容。为尽量减少旁路环路中的电感，电容的接地管脚应直接连接到地平面，IC的接地管脚也通过过孔与电容的接地管脚靠近放置。最后，为尽量减少耦合到接收器的噪声，需避免接收器走线靠近任何电源电路。




编码器信号电缆

         由于来自正交编码器的差分信号是平衡的，所以这些信号可以在常规的一对电缆上传输，但双绞线仍是首选。双绞线电缆具有极低的感性耦合，在高达数MHz频率下阻抗恒定，很适合用于特别要求高速性能的运动控制系统。此外，双绞线电缆还有助于减少辐射的和接受到的电磁干扰(EMI)。

        双绞线电缆有屏蔽和非屏蔽两种。非屏蔽电缆体积较小、成本较低、重量较轻，能够以较小半径弯曲。但对差分正交编码器信号，必须使用屏蔽双绞线电缆。屏蔽双绞线电缆可以提供较好的共模抑制，这是因为屏蔽提供了额外的EMI保护。但实际非屏蔽双绞线电缆中的非理想扭曲可使EMI噪声急剧增大，必须在编码器输入连接器上将屏蔽线连接到接收器的地平面。


        编码器的信号电缆不应传送电源电平信号或者这种类型的任何其他信号，并且不能将它靠近或平行于其他传送电源电平信号或其他噪声信号(包括60Hz电源)的电缆或管道进行布线。

         现代化的高速伺服控制系统与数据速率高达数MHz的编码器一起工作。数据速率如此之高，编码器信号电缆必须在接收器端用终端电阻或网络进行正确匹配。理想情况下，终端电阻的阻值等于电缆的特征阻抗。

         由于RS-422网络(一个传送器和一个接收器)上只有一个发射器(编码器输出)，所以发射器不需要终端电阻。但是非终端匹配接收器输入上的振铃和反射将限制数据吞吐量为每秒数千比特。通常情况下，对电缆特性阻抗的匹配误差在±20%以内就已足够。图2和图3展示了编码器电缆的正确终端匹配。