运动控制卡输入/输出端口

一．控制卡输出信号的输出与隔离
控制卡为数字电路，其上的芯片多为5V直流电源供电，与TTL电平兼容。而自动化系统中大多数输入/输出元件如：继电器、指示灯、电磁阀、触摸屏、传感器等，多为24V直流电源供电，以满足其驱动功率的需要。
控制卡的输出端口的作用就是要在5V与24V两种电源电路之间搭建一个桥梁，完成信号放大、隔离外部干扰的功能。

TTL电平（Transistor-Transistor Logic晶体管-晶体管逻辑电平）信号表示二进制的方法：
高电平：+2.4～5 V 为逻辑"1"，
低电平：0～+0.4 V 为逻辑"0"。
集电极开路输出
这种输出方式通过控制卡上的NPN晶体管，将晶体管的发射极引出端子连接至0V（接地），把集电极作为输出端，其主要作用是放大控制信号，驱动外部电器。输出电路如图1所示。
晶体管工作在开关状态：
输出为低电平时，Vout＝0，晶体管处于截止状态： iR＝ 0；
输出为高电平时，Vout>Uon，晶体管处于饱和状态： iR ＝ ( Vcc－0.1~0.3 V) / RL；
注意：[/b]外部24V电源和三极管必须共地。

集电极开路输出端口应用实例：[/b][/b]
1、控制发光二极管（LED）
用运动控制卡数字输出端口控制发光二极管时，需要在LED前接一个限流电阻，限制LED的电流在10mA左右。若外部电源电压为24V，则电阻值大概在2kΩ左右。参见图2。

2、控制灯丝型指示灯
运动控制卡控制灯丝型指示灯时，需要接预热电阻，电阻值的大小，以电阻接上后，输出口无输出时，灯不亮为原则。如图3所示。

3、控制继电器
继电器为感性负载，当继电器突然关断时，其电感会产生一个很大的反向电压，有可能击穿2803，所以在继电器外必须并联一个续流二极管，以保护输出端口。参见图4。

差分信号输出
控制卡在处理高速脉冲信号时，通常采用RS-422标准的差分输入输出方式，其目的提高信号的抗干扰能力。

RS-422[/b]标准：[/b][/b]
1977年EIA（电子工业协会）为改进RS-232通信距离短、速率低的缺点，制定了RS-422标准：RS-422定义了一种平衡通信接口，传输速率提高到10Mb/s，传输距离延长到1200m（速率低于100kb/s时），并允许在一条平衡总线上连接最多10个接收器。
RS-422与RS-232不一样，数据信号采用差分传输方式，也称作平衡传输，它使用一对双绞线，将其中一线定义为A，另一线定义为B，如图5。

通常情况下，发送驱动器A、B之间的正电平在+2～+6V，是一个逻辑状态，负电平在-2～-6V，是另一个逻辑状态。另有一个信号地C；还有一“使能”端，在RS-422中这是可用可不用的。“使能”端是用于控制发送驱动器与传输线的切断与连接。当“使能”端起作用时，发送驱动器处于高阻状态，称作“第三态”，即它是有别于逻辑“1”与“0”的第三态。
接收器也作与发送端相对的规定，收、发端通过平衡双绞线将AA与BB对应相连，当在收端AB之间有大于+200mV的电平时，输出正逻辑电平，小于-200mV时，输出负逻辑电平。接收器接收平衡线上的电平范围通常在200mV至6V之间。参见图6。

RS-422的优点：
l        由于输入端的差分放大作用，抵消了干扰噪声，提高抗干扰能力；
l        采用这种接法，两条信号线形成回路，与信号地无关，这样避免了电平偏移；
l        双端平衡驱动器的输出端比单端不平衡驱动对电压信号放大了一倍。
运动控制卡高速脉冲的输出：[/b][/b]
屏蔽线
驱动IC
相当于AM26LS31

上位脉冲发生器
两端接地
接到连接器外壳上
伺服放大器
运动控制卡
脉冲信号
方向信号
伺服电机驱动器运动控制卡的脉冲信号、方向信号为高速脉冲信号，一般的运动控制卡都采用26LS31芯片作其输出驱动电路。参见图7。

光电隔离
光电隔离原理：[/b][/b]
光电隔离是由光电耦合器件来完成的。其输入端配置发光二极管作发光源，输出端配置光敏三极管作受光器，工作时以光作为媒介来传递信息，因而输入和输出在电气上是完全隔离的，如图8所示，故外部干扰信号也被隔离了。


光电耦合器件具有以下特点：
l        体积小，重量轻，使用方便，性能稳定；
l        不受磁场影响，不需磁屏蔽，抗干扰能力强；
l        无触点，寿命长，响应速度快，可以传输高达10MHz的脉冲信号；
l        隔离电压等级高，输入和输出两端之间绝缘电压可达万伏以上。

光耦元件：[/b][/b]


运动控制卡输出端口光电隔离方法：[/b]见图10



继电器隔离
常用继电器：
1．电磁继电器：它包括直流电磁继电器、交流电磁继电器。
直流电磁继电器：输入电路中的控制电流为直流电。
交流电磁继电器：输入电路中的控制电流为交流电。
2．固态继电器：输入、输出功能由电子元件完成，而无机械运动部件。

按触点负载分类：
微功率继电器：小于0.2A的继电器
弱功率继电器：0.2～2A的继电器
中功率继电器：2～10A的继电器
大功率继电器：10A以上继电器

电磁继电器原理：
继电器的线圈和触点之间没有电气上的联系。因此，可以利用继电器的线圈接受电气信号，而用触点发送和输出信号，从而避免强电和弱电信号之间的直接联系，实现了抗干扰隔离。

如图11所示，当输入高电平时，晶体三极管T饱和导通，继电器J吸合；当A点为低电平时，T截止，继电器J则释放，完成了信号的传递过程。D是保护二极管。当T由导通变为截止时，继电器线圈两端产生很高的反电势，以继续维持电流IL。由于该反电势一般很高，容易造成T的击穿。加入二极管D后，为反电势提供了放电回路，从而保护了三极管T。
继电器结构参见图12。


以欧姆龙MYJ系列继电器为例，其性能如下：




固态继电器是一种无触点电子开关。它具有四个端子，其中两个端子为输入控制端，另外两端为输出受控制端。当在输入端施加控制信号后，即可控制输出端电路中负载的通断。参见图15。

由于使用了光电耦合器，因此输入与输出之间实现了完全的电气隔离。整个器件无可动部件及触点，所以它较之电磁继电器有可靠性高、寿命长，开关速度快，使用方便等优点。

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二．控制卡输入信号的输出与滤波
开关信号输入
运动控制卡运动控制卡输入端口一般都有光电隔离电路。因为采用电流方式输入，抗干扰能力强，且没有电平转换的问题。图17为按键与控制卡的连接方式。

差分信号输入
编码器的输出信号一般为差分信号。差分信号和控制卡连接的方式参见图18。
运动控制卡

RC滤波电路
无源[/b]RC[/b]低通滤波器原理：[/b][/b]
采用无源RC低通滤波器，可以有效的拟制高频干扰信号。
图19  RC低通滤波器电路图
RC低通滤波器的电路及特性见图19。其传递函数如下：


其中：T = RC

无源RC低通滤波器截止频率：ωc ＝ 1 / T = 1 / RC
当输入信号的频率小于其截止频率：ωc时，信号不衰减；
当输入信号的频率大于其截止频率：ωc时，信号频率越高，衰减越大；而且相位也有滞后。参见图20。

运动控制卡中的[/b]RC[/b]滤波电路：[/b][/b]
运动控制卡数字输入端口光耦后面通常加有无源RC低通滤波器，如图21所示。R = 10 kΩ，C = 0.1 μF，故该RC滤波器的截止频率为1kHz。

三．常用开关量传感器
图22  限位开关外形图限位开关（触点开关、微动开关）
例：[/b]
欧姆龙ZC 55系列限位开关：
• 1,000万次以上的高寿命；
• 内置封装开关，实现高重复精度；
• 和一般的限位开关相比，动作力(OF)较小。
• EN(TUV)、UL、CSA、CCC的安全规格。


图23  光电开关外形图
光电开关
光电开关用途：转速检测，位置检测；
运动平台上的零点开关。
其特点是：
l        可靠性高
l        响应速度快
l        定位准确
l        价格便宜
例：[/b][/b]
RG150-8是单光束红外光电传感器，由原装进口高发射功率的砷化镓（砷铝镓）红外发射管和高灵敏度的光敏晶体管组成。槽宽5 mm，光缝0.8 mm。



霍尔开关
开关型霍尔传感器（简称霍尔开关）是一种新型的集成电路无触点开关，其外形尺寸和内部结构如图25所示。其中A是恒压源；B是霍尔电势发生器(霍尔片)；C是差分放大器；D是施密特触发器；E是集电极开路（OC门）输出。图中1、2、3表示霍尔开关的三个引出端，分别为电源U+，接地GND和输出OUT。

其工作原理为：在(1)、(2)端输入电压Uc，经稳压器稳压后加在霍尔片的两端。由霍尔效应原理知：当霍尔片处在磁场中时，霍尔电势发生器就会有一个霍尔电压UH输出，该UH经放大器放大后，送至施密特触发器整形，当施加的磁场达到该器件的工作点时，施密特电路翻转，使OC门开关。

用途：转速检测，位置检测；运动平台的零点开关。
特点：
l        结构简单，塑料外壳，体积小，
l        需要一个小磁铁配合使用；
l        开关型元件，集电极开路输出；
l        无触点，寿命长；
l        开关速度快，工作频带宽（DC～100KHz）；
例：[/b][/b]
44E开关型霍尔集成元件主要参数：
型号
电源电压
Vcc（V）
开关动作磁场
B（mT）
内部电流
Icc（mA）
输出电流
Iout（mA）
输出形式
工作温区
44E
4.5～24
～45
9
≤20
单OC门
－40～＋85

测量区域：200×200mm
作用：
非接触检测物体的位置。

反射式传感器
特点：
光源：脉冲式红光
工作距离：1500mm～2000mm
反射镜：F 84mm
作用：
远距离检测物体的位置。

对射式传感器
特点：
光源：脉冲式红光
工作距离：2000mm～20000mm
作用：
远距离检测物体的位置。


图32 光钎传感器应用图

四．位置检测元件
位置检测元件有：
光电编码器、光栅编码器；（最常用）
感应同步器、磁栅编码器、容栅编码器；（20年前的产品）
电位器、旋转变压器；（30年前的产品）
激光干涉仪、机器视觉系统。（高精度、高成本）


增量式编码器：[/b][/b]
增量式编码器是直接利用光电转换原理输出三组方波脉冲：A、B和Z；A、B两组脉冲相位差90度，以判断旋转方向，如图37所示。Z脉冲为每转只有一个，用于基准点定位

码盘转过一个刻线的角度，A信号就产生一个脉冲。如果码盘上有1000条线，则编码器输入轴转一周，A信号就有1000个脉冲。其测量角度的分辨率为360 / 1000 = 0.36度。
一般运动控制卡将A、B信号的上升沿、下降沿的信息都利用起来，即编码器输入轴转一圈，可记录到4000个信号。使编码器的分辨率提高了4倍，分辨率为0.09度。此技术称之为四分频技术。

增量式编码器特点：
l        构造简单，
l        机械寿命长，
l        抗干扰能力强，可靠性高；
l        缺点是无法输出轴转动角的绝对位置。

例：[/b]欧姆龙E6J增量式旋转编码器的主要参数：



绝对式编码器：[/b][/b]
绝对编码器是直接输出数字量的传感器，在它的圆形码盘上沿径向有若干同心码道，每条道上由透光和不透光的扇形区相间组成，相邻码道的扇区数目是双倍关系，码盘上的码道数就是它的二进制数码的位数，在码盘的一侧是光源，另一侧对应每一码道有一光敏元件；当码盘处于不同位置时，各光敏元件根据受光照与否转换出相应的电平信号，形成二进制数。这种编码器的特点是不要计数器，在转轴的任意位置都可读出一个固定的与位置相对应的数字码。显然，码道越多，分辨率就越高，对于一个具有N位二进制分辨率的编码器，其码盘必须有N条码道。如图39所示为一个10位的绝对式编码器码盘。


光栅尺
栅式测量系统有感应同步器、光栅、磁栅、容栅和球栅。由于光栅测量系统的综合技术性能优越，而且制造费用又比感应同步器、磁栅、球栅低，因此光栅发展得最快，在栅式测量系统中的占有率已超过80%。
[/b]
光栅尺的作用[/b]：控制系统的反馈元件，用于位置、角度测量。
光栅尺基本结构：[/b][/b]

光栅尺原理：[/b][/b]
光栅尺是在玻璃上刻出的一道道条纹，如图41所示。
光栅的栅距w：  w ＝a＋b；a为刻线宽度，b为缝隙宽度。
标尺光栅和指示光栅的栅线保持固定的微小夹角q，光栅面保持合适的微小间距，这样当与被测物体连接的标尺光栅与处于固定位置的指示光栅发生相对位移运动时，在两片光栅的重合面区域将产生垂直的明暗相间的干涉莫尔条纹，如图42所示。

当光栅尺移动时，莫尔条纹会上下移动。光栅尺移动一个栅距w，莫尔条纹就移动一个间距B，固定点的光强则变化一个周期，光电元件输出的电压信号为一个周期的正弦信号，如图43所示。对正弦信号进行细分处理，可以得到比栅距更小的分辨率。


使用莫尔条纹的优点：[/b][/b]
莫尔条纹由光栅的大量刻线共同形成，对线纹的刻划误差有平均抵消作用，能在很大程度上消除周期误差的影响；
莫尔条纹的间距B » W / q，因为q很小，所以，莫尔条纹把栅距放大了1 / q倍，提高了测量的灵敏度。

编码器的数字输出信号：[/b][/b]
A信号的脉冲数，对应于光栅尺移动的距离；一个脉冲，对应于一个最小分辨率的距离；B信号辅助确定运动方向；原理与图37一样。

例：RENISHAW光栅尺
特点：
w          非接触反射式光栅尺；
w          光栅尺粘贴方便，长度没限制；
w          栅距为20mm，分辨率可达10nm，重复精度为0.1mm；
w          最小分辨率：是以A、B信号的上升沿信号、下降沿信号计数。
w          线性误差：任意60mm内：±0.75mm；任意1000mm内：±3mm；
w          最高速度可达15m/s；
w          读头与标尺之间的公差要求比传统光栅宽松；
w          外型小巧，安装方便；
w          抗灰尘、抗划痕；
w          输出信号的形式有:数字信号、模拟电压信号、模拟电流信号。

编码器、光栅尺选型原则
w          闭环控制系统中的编码器、光栅尺的分辨率要高于控制系统设计精度的10倍；
w          控制系统的运动速度要小于编码器、光栅尺的允许的最大运动速度；
w          运动控制卡的读数据的速度要和编码器、光栅尺相匹配；
w          输出信号的类型、读头大小、线长等。