旋轉(zhuǎn)編碼器廣泛用于工業(yè)自動化系統(tǒng)。這種類型的編碼器的典型用途是用于電機，其中編碼器連接到旋轉(zhuǎn)軸，從而為控制系統(tǒng)提供反饋。雖然編碼器的主要用途是角位置和速度測量，但系統(tǒng)診斷和參數(shù)配置等附加功能也很常見。圖1顯示了一個電機控制信號鏈，該信號鏈使用RS-485收發(fā)器和微處理器連接絕對編碼器（ABS編碼器）從機和工業(yè)伺服驅(qū)動器主站，用于交流電機的閉環(huán)控制。

伺服驅(qū)動器和ABS編碼器之間的RS-485通信鏈路通常需要高達16 MHz的高數(shù)據(jù)速率和低傳播延遲時序規(guī)格。RS-485電纜通常最長可達50米，但在某些情況下可能長達150米。電機控制編碼器應用是具有挑戰(zhàn)性的數(shù)據(jù)通信環(huán)境，因為電噪聲和長電纜會影響RS-485信號的完整性。本文重點介紹使用ADI公司50 Mbps （25 MHz）ADM3065E RS-485收發(fā)器和ADSP-CM40x混合信號控制處理器的電機控制應用的主要優(yōu)勢。

圖1.使用RS-485在絕對編碼器從機到伺服驅(qū)動主站之間連接，以實現(xiàn)交流電機的閉環(huán)控制。

ADM3065E RS-485收發(fā)器專為在電機控制編碼器等惡劣環(huán)境中可靠工作而設計，具有更高的抗擾度和（IEC） 61000-4-2靜電放電（ESD）魯棒性。

抗噪性

RS-485信令具有平衡、差分和固有的抗噪聲功能。系統(tǒng)噪聲平均耦合到RS-485雙絞線電纜中的每根電線。一個信號發(fā)出與另一個信號相反的信號，耦合到RS-485總線上的電磁場相互抵消。這減少了系統(tǒng)的電磁干擾（EMI）。此外，增強型ADM3065E 2.1 V 驅(qū)動強度可在通信中實現(xiàn)更高的信噪比 （SNR）。使用ADuM3065D可以輕松實現(xiàn)為ADM141E添加信號隔離。ADuM141D是一款基于ADI耦合器技術的四通道數(shù)字隔離器。ADuM141D的工作速率高達150 Mbps，適合與50 Mbps ADM3065E RS-485收發(fā)器配合使用（見圖2）。直接功率注入 （DPI） 測量器件抑制注入電源或輸入引腳的噪聲的能力。ADuM141D中使用的隔離技術已經(jīng)過DPI IEC 62132-4標準的測試。ADuM141D抗噪性能優(yōu)于同類產(chǎn)品。ADuM141D在整個頻率范圍內(nèi)保持出色的性能，但其他隔離產(chǎn)品在200 MHz至700 MHz頻段內(nèi)會出現(xiàn)誤碼。?

圖2.信號隔離、50 Mbps RS-485解決方案（簡化圖—未顯示所有連接）。

IEC 61000-4-2 靜電放電性能

裸露的RS-485連接器上的ESD以及編碼器到電機驅(qū)動器的電纜是一種常見的系統(tǒng)危險。與可調(diào)速電力驅(qū)動系統(tǒng)的EMC抗擾度要求相關的系統(tǒng)級IEC 61800-3標準要求至少±4 kV接觸/±8 kV空氣IEC 61000-4-2 ESD保護。ADM3065E具有±12 kV接觸/±12 kV空氣IEC 61000-4-2 ESD保護，超過了這一要求。圖 3 顯示了 IEC 8-61000-4 標準的 2 kV 接觸放電電流波形與人體模型 （HBM） ESD 8 kV 波形的比較。圖4顯示，這兩個標準規(guī)定了不同的波形形狀和峰值電流。與 IEC 61000-4-2 8 kV 脈沖相關的峰值電流為 30 A，而 HBM ESD 的相應峰值電流在 5.5 A 時小于 33× 以上。另一個區(qū)別是初始電壓尖峰的上升時間，與HBM ESD波形相關的61000 ns相比，IEC 4-2-1 ESD的上升時間快得多，為10 ns。與IEC ESD波形相關的功率遠大于HBM ESD波形的功率。HBM ESD 標準要求被測設備 （EUT） 經(jīng)受 10 次正放電和負放電，而相比之下，IEC ESD 標準要求 10 次正放電和 3065 次負放電測試。具有IEC 61000-4-2 ESD額定值的ADM485E更適合在惡劣環(huán)境中工作，而其他RS-<>收發(fā)器具有不同級別的HBM ESD保護。

圖3.IEC 61000-4-2 ESD 波形在 8 kV 時與 HBM ESD 波形在 8 kV 時的比較。

恩達特通信協(xié)議

編碼器使用了許多通信協(xié)議;例如EnDat，BiSS，HIPERFACE和Tamagawa。盡管存在差異，但編碼器通信協(xié)議在實現(xiàn)方面有相似之處。這些協(xié)議的接口是符合RS-422或RS-485電氣規(guī)范的串行雙向管道。雖然硬件層存在共性，但運行每個協(xié)議所需的軟件是獨一無二的。通信堆棧和所需的應用程序代碼都特定于協(xié)議。本文重點介紹 EnDat 2.2 接口主端的硬件和軟件實現(xiàn)。

延誤的影響

延遲分為兩類：第一類是電纜的傳輸延遲，第二類是收發(fā)器的傳播延遲。光速和電纜的介電常數(shù)決定了電纜延遲，典型數(shù)字為6 ns/m至10 ns/m。當總延遲超過半個時鐘周期時，主站和從站之間的通信中斷。此時，設計器具有以下選項：

降低數(shù)據(jù)速率

降低傳播

在主機側(cè)引入延遲補償

選項 3 可補償電纜延遲和收發(fā)器延遲，因此是確保系統(tǒng)能夠在長電纜上以高時鐘速率運行的有效方法。缺點是延遲補償增加了系統(tǒng)復雜性。在無法進行延遲補償?shù)南到y(tǒng)中，或者在具有短電纜的系統(tǒng)中，使用具有短傳播延遲的收發(fā)器的價值是顯而易見的。低傳播延遲可實現(xiàn)更高的時鐘速率，而無需在系統(tǒng)中引入延遲補償。

主實現(xiàn)

主實現(xiàn)由串行端口和通信堆棧組成。由于編碼器協(xié)議不符合標準端口（如UART），因此無法使用大多數(shù)通用微控制器上的外設。相反，FPGA的可編程邏輯支持在硬件中實現(xiàn)專用通信端口，并支持延遲補償?shù)雀呒壒δ?。雖然FPGA方法很靈活，可以根據(jù)應用進行定制，但它也有缺點。與處理器相比，F(xiàn)PGA成本高、功耗高，上市時間長。

本文討論的EnDat接口的實現(xiàn)是在ADI公司的ADSP-CM40x上完成的，ADI公司是一款面向電機控制驅(qū)動器的處理器。除了用于電機控制的外設，如脈寬調(diào)制器（PWM）定時器、模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）和sinc濾波器，ADSP-CM40x還具有高度靈活的串行端口（SPORT）。

這些SPORT能夠模擬許多協(xié)議，包括EnDat和BiSS等編碼器協(xié)議。由于ADSP-CM40x具有豐富的外設集，因此可以執(zhí)行高級電機控制，也可以與具有相同器件的編碼器接口。換句話說，消除了對FPGA的需求。

測試設置

EnDat 2.2 測試設置如圖 4 所示。EnDat 從站是科爾摩根 （AKM22） 的標準伺服電機，軸上安裝了 EnDat 編碼器 （ENC1113）。三對電線（數(shù)據(jù)線、時鐘線和電源線）將編碼器連接到收發(fā)器板。EnDat PHY上的編碼器有兩個收發(fā)器和電源。其中一個收發(fā)器用于時鐘，另一個收發(fā)器用于數(shù)據(jù)線。EnDat 主站通過 ADSP-CM40x 使用標準外設和軟件的組合實現(xiàn)。發(fā)射端口和接收端口都是通過靈活的 SPORT 實現(xiàn)的。

圖4.實驗設置。

EnDat 協(xié)議由許多不同長度的不同幀組成。但是，這些幀都基于相同的序列，如圖 5 所示。首先，主站向從站發(fā)出命令，然后從站處理命令并執(zhí)行必要的計算。最后，從站將結果發(fā)送回主站。

圖5.EnDat 發(fā)送/接收序列。

發(fā)送時鐘（Tx CLK）由處理器ADSP-CM40x產(chǎn)生。由于系統(tǒng)中的延遲，來自編碼器的數(shù)據(jù)在返回處理器之前將與傳輸時鐘異相。為了補償傳輸延遲，t延遲，處理器還發(fā)出接收時鐘（Rx CLK），延遲 t延遲與傳輸時鐘相比。使接收時鐘與從站接收的數(shù)據(jù)同相是補償傳輸延遲的有效方法。

來自處理器的時鐘信號是連續(xù)的，而EnDat協(xié)議規(guī)定時鐘只能在通信期間應用于編碼器。在所有其他時間，時鐘線必須保持高電平。為此，處理器生成時鐘使能信號CLK EN，該信號饋送到ADM3065E的數(shù)據(jù)使能引腳。正好兩個時鐘周期（2T）后，主站開始在Tx DATA上輸出命令。

該命令的長度為 6 位，后跟兩個 0 位。為了控制通過收發(fā)器的數(shù)據(jù)方向，處理器在傳輸時將位 Tx/Rx EN 設置為高電平。

當從站準備響應時，系統(tǒng)進入等待狀態(tài)，主站繼續(xù)應用時鐘，但數(shù)據(jù)線處于非活動狀態(tài)。當從站準備好響應時，數(shù)據(jù)線接收數(shù)據(jù)被拉高，然后立即發(fā)送響應。在收到n位響應后，主機通過將CLK EN信號設置為低電平來停止時鐘。同時，ENC CLK信號變?yōu)楦唠娖?。?shù)據(jù)流是半雙工的，組合數(shù)據(jù)線上的流量顯示為 ENC 數(shù)據(jù)。

圖6.EnDat 數(shù)據(jù)交換。

審核編輯：郭婷