CN207424725U - 一种运动控制器控制伺服系统的控制输出电路 - Google Patents

Abstract

一种运动控制器控制伺服系统的控制输出电路，在运动控制器侧设有两个闭环运算放大器UA和UB，单端输入信号VIN输入UA的同相输入端，UA的输出作为运动控制器的输出同相信号VOUT+，参考电压VREF输入UB的同相输入端，UB的输出作为运动控制器的输出反相信号VOUT‑，运算放大器UA和UB的输出还互为对方的反馈信号，VOUT+和VOUT‑即为运动控制器的差分模拟量输出。本实用新型提供了一种在运动控制器中使用差分模拟量输出接口控制伺服的电路，实现了原来的单端输出到差分信号输出的转换，解决了电磁干扰在传输线阻抗不平衡时对伺服系统的控制精度的影响。

Description

一种运动控制器控制伺服系统的控制输出电路

技术领域

本实用新型属于机电技术领域，为一种运动控制器控制伺服系统的控制输出电路。

背景技术

在高精度、高效率自动控制应用领域，目前大量使用运动控制器和伺服系统方案完成规定的位置和速度控制。伺服系统作为被动执行部件，接收运动控制器发送的速度指令，运动控制器结合外部传感器反馈的位置信息完成闭环位置控制或速度控制。目前运动控制器速度指令输出接口大多采用单端输出方式，而对应的伺服系统的速度指令输入接口都是差分输入接口。在实际应用中由于两根信号传输线上的阻抗不平衡，传输的模拟电压信号易受到外部的电磁干扰。造成伺服电机速度波动，影响控制精度，甚至造成伺服电机啸叫。

运动控制器的速度信号输出接口都为单端接口，伺服系统速度信号接收口都为差分接口，在实际应用中通常采用屏蔽双绞线连接两个设备接口如图1。运动控制器侧连线方式为：一根信号线连接控制器电压的单端输出口VOUT，另一根端连接模拟地AGND，屏蔽层接地Earth；伺服系统侧连线方式为，两根传输线分别连接差分输入接口的VREF+和VREF-端，屏蔽层接地Earth。这种连接方式虽然常用，但是存在如下缺点：当存外部存在强电磁干扰时，部分干扰信号穿过屏蔽层以共模的形式叠加在两根信号传输线上，而且幅值相同。虽然伺服系统的差分接收口可以抑制共模干扰，接收的差分信号不会受到影响，但是如果两根传输线阻抗不平衡，会出现共模干扰转差分干扰的情况，从而影响伺服控制精度。图2描述了传输信号在阻抗变化处产生反射现象，任何信号只要遇到阻抗突变时反射就会产生，反射时信号一部分沿着与原路径相反的方向传输，另一部分将继续传播，但是幅度有所改变，反射计算公式如下：

Vreflected表示反射电压、Vincident表示入射电压、Z1表示区域1传输阻抗、Z2表示区域2传输阻抗，ρ表示反射系数。

图3描述了运动控制器与伺服系统采用图1方式进行连接时对应的阻抗等效分布，信号传输线采用屏蔽双绞线，两根传输线所处环境相同，阻抗差别不大。运动控制器侧VOUT输出端阻抗为33Ω，AGND输出端阻抗约为1Ω，伺服系统侧接收端VREF+和VREF-输入阻抗都为8.33KΩ。信号传输时在伺服侧和控制器侧都会产生反射。共模干扰信号因为控制器输出接口阻抗不平衡经过多次反射，转换为差模干扰叠加到有效控制器信号上。例如，1V的共模干扰信号同时施加到两根信号线上，向控制器侧传播过程中，当遇到VOUT和AGND端阻抗变化点，按照反射计算公式，反射回的信号电压幅值出现了差异，出现了共模干扰转差模干扰的现象，反射信号继续向伺服系统接收端传输并再次反射，经过多次反射后信号并逐渐减弱。在这个过程中，伺服系统的控制精度将受到很大影响。

发明内容

本实用新型要解决的技术问题是：现有技术中运动控制器与伺服系统之间，一旦两根传输线上的阻抗不平衡，传输的模拟电压信号易受到外部的电磁干扰，造成伺服电机速度波动，影响控制精度。

本实用新型的技术方案为：一种运动控制器控制伺服系统的控制输出电路，所述电路为差分模拟量输出接口电路，在运动控制器侧设有两个闭环运算放大器UA和UB，单端输入信号VIN输入UA的同相输入端，UA的输出作为运动控制器的输出同相信号VOUT+，参考电压VREF输入UB的同相输入端，UB的输出作为运动控制器的输出反相信号VOUT-，运算放大器UA和UB的输出还互为对方的反馈信号，VOUT+和VOUT-即为运动控制器的差分模拟量输出。

进一步的，运算放大器UB的输出同时为运算放大器UA的正反馈信号和负反馈信号。

本实用新型提供了一种在运动控制器中使用差分模拟量输出接口控制伺服的电路，实现了原来的单端输出到差分信号输出的转换，解决了电磁干扰在传输线阻抗不平衡时对伺服系统的控制精度的影响。

附图说明

图1为常用的运动控制器与伺服系统连接示意图。

图2为阻抗突变处信号反射示意图。

图3为图1连线方式下的阻抗等效计算以及信号反射现象分析。

图4为本实用新型的输出电路下，运动控制器与伺服系统连接示意图。

图5为图4连线方式下的阻抗等效计算以及信号反射现象分析。

具体实施方式

本实用新型用两个独立运算放大器实现单端-差分信号转换，具体电路结构如图4，在运动控制器侧设有两个闭环运算放大器UA和UB，单端输入信号VIN输入UA的同相输入端，UA的输出作为运动控制器的输出同相信号VOUT+，参考电压VREF输入UB的同相输入端，UB的输出作为运动控制器的输出反相信号VOUT-，运算放大器UA和UB的输出还互为对方的反馈信号，VOUT+和VOUT-即为运动控制器的差分模拟量输出。运算放大器UB的输出同时为运算放大器UA的正反馈信号和负反馈信号。

本实用新型电路的原理是让输出同相信号VOUT+和输出反相信号VOUT-都通过这独立的两个运算放大器，以均衡从单端输入信号VIN到VOUT+与VOUT-的延迟。从图4单端-差分转换的接口电路结构上看，每个运算放大器都在另一个运算放大器的反馈环路里面。可以将这一电路看作反相放大电路：增益通过R1来控制，此时R2～R6的值相等。

下面通过电路分析说明本实用新型的电路原理。图4控制器驱动侧差分接口传递函数具体推导过程如下：

1)根据理想运算放大器虚断概念，Ii＝If；利用叠加定理，当(VOUT-)＝0时：

根据理想运算放大器虚短概念，利用理想运算放大器虚断概念和叠加定理，

(UA+)≈(UA-)。

根据理想运算放大器虚断概念，Ii＝If；利用叠加定理，当VIN＝0时：

根据理想运算放大器虚短概念，(UA+)≈(UA-)。

又(VOUT+)＝(VOUT+)′+(VOUT+)″

2)根据理想运算放大器虚短概念，利用理想运算放大器虚断概念和叠加定理，(UB+)≈(UB-)。

(UB+)＝VREF

又(VOUT-)＝(VOUT-)′+(VOUT-)″

由①和②联立方程组，求得

当R1＝R2＝R3＝R4＝R5＝R6,由③和④,求得

(VOUT+)＝VIN

(VOUT-)＝(-VIN)+2×VREF

VOUT＝(VOUT+)-(VOUT-)＝2×(VIN-VREF)

上面的公式中：

Ii、If表示流入运算放大器UA同相输入端的电流；

R1表示增益电阻；

R2、R3、R4、R5、R6表示反馈电阻；

UA+、UA-表示运算放大器UA同相端电压和反相端电压；

UB+、UB-表示运算放大器UB同相端电压和反相端电压；

VIN表示单端输入信号；

VREF表示数模转换器的参考电压输出，接在运算放大器UB的同相输入端；

(VOUT+)′表示当(VOUT-)＝0时，VOUT+输出分量；

(VOUT+)″表示当VIN＝0时，VOUT+输出分量；

VOUT+表示差分正输出；

(VOUT-)′表示当VREF＝0时，VOUT-输出分量；

(VOUT-)″表示当(VOUT+)＝0时，VOUT-输出分量；

VOUT-表示差分负输出；

VOUT表示差分输出。

由于单端输入信号VIN是以VREF为中心点，幅值范围为[0～2VREF]：VIN＝0时，VOUT＝-2VREF；当VIN＝VREF时，VOUT＝0；当VIN＝2VREF时，VOUT＝2VREF。通过上述公式可以进一步证明本实用新型的电路，在使用时实现差分模拟量输出接口控制伺服的电路，解决了电磁干扰在传输线阻抗不平衡时对伺服系统的控制精度的影响。

如图5，运动控制器与伺服系统采用本实用新型的电路后，运动控制器的具有两个差分接口输出端阻抗，输出端阻抗ZOUTA为33Ω，输出端阻抗ZOUTB也为33Ω，伺服系统侧接收端VREF+和VREF-输入阻抗仍然为8.33KΩ，图5表示了同样的1V共模干扰信号施加到两根信号线上，向控制器侧传播过程中遇到ZOUTA和ZOUTB端阻抗变化点，按照反射公式计算，两根线上的反射信号幅值相同，没有转化为差模信号，不会干扰有效差分控制信号，系统抗共模干扰的能力得到了提高。

Claims (2)

1.一种运动控制器控制伺服系统的控制输出电路，其特征是所述电路为差分模拟量输出接口电路，在运动控制器侧设有两个闭环运算放大器UA和UB，单端输入信号VIN输入UA的同相输入端，UA的输出作为运动控制器的输出同相信号VOUT+，参考电压VREF输入UB的同相输入端，UB的输出作为运动控制器的输出反相信号VOUT-，运算放大器UA和UB的输出还互为对方的反馈信号，VOUT+和VOUT-即为运动控制器的差分模拟量输出。

2.根据权利要求1所述的运动控制器控制伺服系统的控制输出电路，其特征是运算放大器UB的输出同时为运算放大器UA的正反馈信号和负反馈信号。