控制连接：位置和运动传感器的通信接口

通信接口在传感器（控制系统的“神经”）和控制器（“大脑”）之间提供了最重要的链接。已经引入了令人印象深刻的各种通信技术来提供这种链接，通常具有为某种类型的控制系统量身定制的特性和功能。让我们看看一些广泛使用的用于运动控制的通信技术。

特殊情况的特殊解决方案

对于一些为运动控制提供反馈的传感器，测量技术将决定通信接口。增量编码器提供连续的信号脉冲流——编码器轴每次旋转一定量时产生一个信号脉冲。它们在速度控制方面表现出色，因为控制器可以根据脉冲之间的间隔准确地确定旋转速度。

许多增量编码器传输两个输出信号，称为 A 和 B，相位差为 90°，使控制器能够确定旋转方向。有些还以定义的旋转角度每旋转一次输出一个 Z 信号。这提供了一个精确的参考点。

增量编码器与其控制器之间的连接必须是点对点的，使用专用电缆将每个编码器连接到其控制器。通信通常基于通过双绞线传输的差分信号，电缆中导体对的数量取决于信号的数量（A、B 和 Z）。

编码器中的输出驱动器必须与控制器上的接口兼容——通常使用推挽式 (HTL) 或 RS-422 (TTL) 输出驱动器。这些标准规定了信号电压。

绝对位置传感器

本文的其余部分将重点介绍编码器和倾角仪等绝对位置传感器。这些设备以电压/电流水平（模拟编码器）或通过传输数字字或“电报”（数字编码器）报告特定时刻的测量位置。这些设备非常适合位置控制应用。

模拟传感器历史悠久，早期的控制系统使用电位器（可变电阻器）。最近，已经引入了具有内置 D/A 转换器的数字传感器。这些可用于电压（例如，0-5 V）或电流（例如，0-20 mA）输出。它们具有可编程 D/A 转换器，因此可以设置预定范围的机械运动（从几分之一转到多转）以跨越整个系统的电气输出范围（例如，0-5 V、0-20 mA ）。这在最重要的运动范围内提高了准确性和分辨率。模拟传感器需要点对点连接，通常使用相对较大的导线来限制电阻。

具有位并行接口的绝对编码器将测量报告为数字字，每个位都有单独的导体。响应几乎是即时的。连接是点对点的，通常通过带状电缆。由于这种类型的电缆相对笨重且不灵活，因此位并行系统在短距离内工作得最好。

数字点对点接线

通过点对点接线，专用电缆从控制器连接到每个单独的传感器。绝对编码器的 SSI（串行同步接口）和 BiSS（双向串行同步）接口使用点对点接线系统。这些是可以直接连接到 PLC 或其他控制器的数字接口。 SSI 连接提供良好的速度（高达 2 Mhz 的时钟速率）、高分辨率、灵活的布线和长达几百米的可靠通信（尽管更长的距离会降低波特率）。 SSI 协议提供基本的错误检测（断线、短路、数据一致性）。

BiSS 是 SSI 的高级版本，支持伺服电机、机器人和其他自动化系统中的控制设备和传感器/执行器之间的实时通信。该接口还使控制器能够设置从设备中的操作参数。有多种 BiSS 变体，包括 BiSS C（连续通信）和 BiSS Line（设计用于将电力输送和数据传输结合在单根电缆中的配置）。开源 SSI 和 BiSS 接口标准是非专有的，没有成本许可。

SSI 和 BiSS 通信使用点对点连接——通常是 RS-422。可以将多个设备以菊花链方式连接在一起，以实现更高效的电缆布局。

现场总线：共享接入布线系统

点对点布线适用于距离短且设备数量有限的系统，但随着传感器数量的增加，布线布局可能会变得笨拙。随着自动化系统变得越来越复杂和连接设备的数量增加，一些制造商引入了现场总线系统。这些功能网络基于总线拓扑结构，多个设备共享一个公共布线主干。现场总线系统可靠、快速且相对具有成本效益。应用范围从输送机和制造设施到移动设备、医疗设备、风力涡轮机和太阳能电池板。

让多个设备共享一个公共通信通道可能会导致响应时间问题——当总线上的流量很大时，单个传感器的消息可能会延迟不可预测的时间。为了解决这个问题，大多数现场总线设计允许操作员按重要性对设备进行排序。这有助于确保关键消息得到优先处理。现场总线系统的物理层通常基于双绞线电缆（例如，EIA-485）。

流行的现场总线标准包括博世的控制器局域网 (CAN)、西门子的 CANopen、Profibus（过程现场总线）和 Allen-Bradley/Rockwell 的 DeviceNet。 DeviceNET 在北美广泛使用，将 CAN 物理层与 CIP（通用工业协议）高级协议相结合。 SAE J1939 采用 CAN 数据传输标准，针对重型车辆进行了优化。

网络由物理元素（电线、连接器和控制信号流的电子组件）和逻辑元素（地址方案、通信协议、设备配置文件等在软件中实现）组成。在现场总线领域，许多系统使用 CAN 标准来定义网络的物理方面，而更高级别的协议——例如 CANopen、DeviceNet、J1939 等——提供端到端的功能。

工业以太网

工业以太网使用与办公室以太网相同的技术基础，但具有增强功能，使其更适合恶劣的工厂条件。工业级开关单元可能具有坚固的防水和防尘外壳，而许多设备使用坚固的 M12 连接器代替更易受攻击的 RJ45 连接器。

通信协议也有重要的升级。工业应用——尤其是运动控制——通常需要控制实时运行，而不会出现普通以太网网络中可能发生的不可预测的传输延迟（延迟或抖动）。 Profinet IRT、EtherNet/IP 和 Ethernet Powerlink 等工业以太网系统通过修改后的协议栈和特殊硬件来解决这个问题，这些硬件可以让关键消息优先访问网络带宽。实现这一点所需的特殊组件会增加系统复杂性和成本。

应该注意的是，虽然以太网提供了无限数量的设备和灵活的拓扑选项的愿景，但系统性能问题——尤其是实时运动控制应用程序——可能需要设计妥协，以减少本地流量并为关键的通信提供直接通信路径。组件。

IO-Link 是一种低成本、易于实施的通信系统，旨在简化现场总线或工业以太网网络与位于工厂车间的简单传感器或执行器之间的连接。 IO-Link 主网关设备的一侧是全厂网络的接口，而另一侧则有多个点对点连接到各个传感器设备。

终端设备的 IO-Link 接口相对简单，无需在传感器/执行器级别支持复杂的通信协议。 IO-Link 支持多种数据类型，包括测量数据、设备配置指令以及温度等运行条件参数信息。

无线通信

无线技术可以与必须经常搬迁的移动机械（例如，自动导引车）或设备进行通信。 Wi-Fi (IEEE 802.11) 和蓝牙是广泛使用的短距离无线通信标准。其他标准可用于远程通信，尽管这些标准可能具有较低的比特率。新兴的 5G 网络承诺高数据速率和低延迟。

在电噪声环境中，无线通信可能不如有线连接可靠，并且可能不适合高度依赖时间的反馈信号。例如，在仓库机器人的情况下，可以使用无线信号来指示机器从特定位置取回材料。但是，用于转向、速度控制和防撞的传感器通常会硬连线到控制系统，以确保可靠的瞬时响应。

开放的兼容性标准

没有一家供应商可以为复杂自动化系统的每个部分提供一流的设备，工业网络技术的供应商已经从专有网络系统转向支持开放（供应商中立）接口和网络标准。借助这些标准，运动控制设备的购买者可以混合和匹配来自不同供应商的经过标准认证的组件，期望一切都能协同工作。

重要的行业标准组织包括开放设备供应商协会 , DeviceNet 和以太网/IP 标准的发起人； CAN in Automation 协会 , CANopen 协议的赞助商；和 Profibus Nutzerorganisation ，Profibus 和 Profinet 接口的赞助商。

本文由新泽西州汉密尔顿市 FRABA Inc. 总经理 Christian Fell 撰写。欲了解更多信息，请访问 这里 .