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位置编码器的接口选项 作者：德州仪器，Clark Kinnaird 摘要： 旋转与线性编码器可为传动控制应用 (motion control application) 提供位置反馈信息。本文将讨论各种用于将数据从编码器向运动控制器传输的解决方案。内插分组、信令技术以及消息协议的选择会影响特定应用解决方案的优化方法。本文将重点讨论如何解决常见的工业环境难题，如高温、电噪声以及严格的性能要求等。运动系统中最常见的位置反馈元件是编码器，旋转编码器或线性编码器均适用。编码器中包含一个光条（或称光盘）以及多个备用光条，光条如图 1 所示安装在转动轴上。当马达转动时，光学传感器检测光条的运动，并产生电信号，控制器通过此信号确定马达运动状态。 图 1 简化的光学编码信号链 根据应用的物理布局不同，控制器、伺服放大器、马达以及编码器之间的距离可能很远。在系统设计过程中应考虑到电噪声、温度以及系统性能等其它因素。高效传输数据的目的是为这些组件之间提供可靠的通信，而不受距离或环境条件的影响。 接口架构 正交信号 A 和 B 可以是模拟正弦波信号，也可以是数字信号。如果是正弦波信号，那么信号电平幅度的峰值一般是 1V。向控制器传输的数字信号可以是符合 RS-422 或 RS-485 标准的晶体管－晶体管逻辑 (TTL) 信号、通用线路驱动器信号或平衡线路驱动器信号。图 2 为带正弦输出的典型增量编码器。控制器中显示的可选内插块能够将每个正弦周期细分为大量的细小单位，从而提高位置系统的有效精度。与原有的编码器间距相比，A~ 与 B~ 的相对电压可用于进一步细分，从而使分辨率倍增。正弦正交输出所需的信号带宽等于编码器的间距 (pitch) 乘以最高速率。例如，如果编码器的间距为 1024 线／转，最大速率为 3000 转／分，则正弦输出的最高频率为： 因为无需考虑高频衰减的影响，因此放宽了线缆及连接器的选择限制。图 2 正弦正交输出的增量编码器通过端口发送模拟正弦输出较为简单，但容易受到周围部件噪声的影响。如果峰值幅度为 1V，即使在没有内插件的情况下，仅 100 mV 的噪声电压就可以造成巨大的位置误差。随着内插系数的增大（位置精度相应提高），即使几毫伏的噪声也能导致严重问题。高频噪声可以过滤，但却增加了设计的复杂度。因此，正交信号在发送到接口线缆之前一般要进行数字化。图 3 是含有内插及数字化功能的编码器架构。虽然接口的编码器端较复杂，但其噪声抗扰度优于模拟信号。编码器数据经数字化处理后，噪声抗扰度取决于驱动器输出状态与二进制高低电平的接收机识别阈值的隔离度。下文将讨论几种常见的数字信号发送方法。 图 3 具有内插增量数字输出信号的增量编码器数字接口的带宽一定要大于相应的正弦正交接口的带宽。每个数据位必须迅速地由高电平向低电平转换，以避免出现不确定的中间状态。因而，根据经验，信道带宽（单位为赫兹）至少应该是信号速率（单位为比特／秒）的五倍。例如，如果编码器的间距参数为 1024 线／转，最大速率为 3000 转／分，内插系数为 20，则传输数字增量数据所需的接口带宽为： 对于 5 MHz 及以上频率的带宽，接口连接器、电路板线迹及线缆（尤其在线缆较长时）的特性显得非常重要。设计师应熟悉相关频率下单位长度的线缆衰减、可降低交叉偶合的连接器选择与引脚排列，以及高频信号的电路板布局技术。绝对位置编码器需要解决的接口问题与增量编码器不同。通过接口发送的绝对位置数据串最长为 20 比特。并行接口成本较高而且可靠性也低，所以一般是将数据串行化，然后通过单个接口通道发送。因此信号传送速率一定要远高于位置更新速率（即每次更新的消息比特数）。 图 4 具有串行数字输出的绝对编码器串行编码器数据有多种通用的编码与传输方法，如基于以太网协议的（EtherNet/IP、ProfiNet 及 EtherCAT）、现场总线标准（ProfiBus、InterBus、ControlNet）及厂商专有方案。 面临的难题 若想在系统组件之间获得有效而可靠的通信，位置编码器的应用需要解决几个难题。机电传动器本身具有关联的电噪声及相对较高的电流水平。出于安全性及可靠性的考虑，控制运动机制的通信路径必须非常可靠。这与运动应用也有关系，此类应用受到线缆布局（可能需要更长的线缆）的限制。伺服系统的稳定性也对信号传输速率有一定的要求。 EMI／噪声抗扰度 电磁干扰 (EMI) 可能破坏编码器信号，导致位置误差或稳定性降低。常见的电磁干扰源有较高的马达驱动电压、马达电刷噪声、设备源 (tool source) 及来自于时钟、显示器以及其它计算机组件的电噪声。在模拟系统中，噪声信号可能造成有害的运动或导致系统的不稳定性。