旋转编码器在工业自动化中的RS-485通信与电机控制应用

旋转编码器在工业自动化领域的应用十分广泛，尤其在电力机械领域，它通过连接到旋转轴向控制系统提供反馈，其主要功能是测量角度位置和速度，同时也在系统诊断和参数配置等方面发挥重要作用。如图1所示，通过RS-485收发器和微处理器将绝对编码器（ABS编码器）从机与工业伺服驱动器主机连接，实现了对交流电机的闭环控制。

伺服驱动器和ABS编码器之间的RS-485通信链路通常需要高达16MHz的数据速率和低传播延迟，而RS-485线缆的延伸长度通常不超过50米，但在某些情况下可能达到150米。由于电气噪声和长电缆的影响，电机控制编码器的数据通信环境具有挑战性。本文重点探讨了在电机控制应用中采用ADI公司50Mbps(25MHz)ADM3065ERS-485收发器和ADSP-CM40x混合信号控制处理器的主要优势。

ADM3065ERS-485收发器专为在恶劣环境如电机控制编码器中可靠工作而设计，并具备增强的抗扰度和(IEC)61000-4-2ESD（静电放电）鲁棒性。安徽皖南电机

图1.通过RS-485连接绝对编码器从机和伺服驱动器主机，实现对交流电机的闭环控制

在抗扰度方面，RS-485信号传输的平衡差分式传输本身就能抗干扰，系统噪声均匀地耦合到RS-485双绞线电缆的每条导线。皖南电机价格表信号的发射与接收相反，彼此抵消了耦合到RS-485总线的电磁场，降低了系统的电磁干扰(EMI)。皖南电机ADM3065E增强的2.1V驱动强度支持在通信中实现更高的信噪比(SNR)。通过ADuM141D信号隔离器，可以轻松实现信号隔离，后者采用ADI公司的iCoupler?技术，工作数据速率*高可达150Mbps，适合与50MbpsADM3065ERS-485收发器一起使用（参见图2）。ADuM141D采用的隔离技术符合DPIIEC62132-4标准，其抗扰度性能超过同类产品。

图2.信号隔离的50MbpsRS-485解决方案（简化图，未显示全部连接）

在IEC61000-4-2ESD性能方面，编码器到电机驱动器的裸露RS-485连接器和线缆上的ESD是常见系统危险因素。皖南电机价格表 系统级IEC61800-3标准要求*低±4kV（接触）/±8kV（空气）的IEC61000-4-2ESD保护。ADM3065E提供±12kV（接触）/±12kV（空气）的IEC61000-4-2ESD保护，超过了这一要求（参见图3和图4）。与标称多种HBMESD保护级别的其他RS-485收发器相比，具有IEC61000-4-2ESD额定值的ADM3065E更适合在恶劣环境中工作。

图3.IEC61000-4-2ESD波形(8kV)与HBMESD波形(8kV)的对比

图4.实验设置

EnDat通信协议是编码器使用的通信协议之一，如EnDat、BiSS、HIPERFACE和Tamagawa。尽管这些协议在实现方面存在差异，但它们都符合RS-422或RS-485电气规范，并且其接口是串行双向管道。本文主要说明了EnDat2.2接口主机侧的硬件和软件实现。

延迟影响分为电缆传输延迟和收发器传播延迟。电缆延迟由光速和电缆的电介质常数决定，而传播延迟则取决于收发器。当总延迟超过半时钟周期时，主机和从机之间的通信就会出故障。降低数据速率、减小传播延迟或提供延迟补偿是解决这一问题的方法。在延迟补偿不可行的系统中，使用传播延迟短的收发器具有明显优势。

主机实现包括串行端口和通信堆栈。编码器协议不兼容标准端口，如UART，因此无法使用大多数通用微控制器上的外设。然而，利用FPGA的可编程逻辑可以在硬件中实现专用通信端口，并支持延迟补偿等高级特性。本文讨论的EnDat接口是在ADI公司的ADSP-CM40x上实现，后者是一款针对电机控制驱动器而开发的处理器，具有丰富的外设，如PWM定时器、模数转换器和sinc滤波器，同时还有高度灵活的串行端口(SPORT)，可以仿真多种协议，包括EnDat和BiSS等编码器协议。

EnDat2.2测试设置如图4所示，EnDat从机是Kollmorgen的一款标准伺服电机(AKM22)，EnDat编码器(ENC1113)安装在轴上。三对线（数据、时钟和电源线）将编码器连接到收发器板。EnDatPHY上有两个收发器和用于编码器的电源。一个收发器用于时钟，另一个收发器用于数据线路。EnDat主机由ADSP-CM40x结合标准外设和软件实现。发送端口和接收端口均利用灵活的SPORT实现。安徽皖南电机EnDat协议包括多种长度不同的帧，但它们都基于相同的序列。皖南电机

发送时钟(TxCLK)由处理器ADSP-CM40x产生，而接收时钟(RxCLK)则延迟了传输延迟tDELAY。处理器产生一个时钟使能信号CLKEN，将其送至ADM3065E数据使能引脚，并在两个时钟周期(2T)之后开始在TxDATA上发出命令。

实验结果显示，通过接收时钟相移实现延迟补偿，测试使用的时钟频率为8MHz。图6显示了EnDat系统的测试结果，其中底部信号是来自EnDat主机的命令，编码器的响应是从顶部起的第三个信号，合并数据线是从顶部起的第二个信号，*后，顶部信号是施加于编码器的时钟。