采用RS-485 和 Modbus 配置伺服电机和驱动模块

引言

串行通信是一种通过通信信道或计算机总线以每次 1 位的方式连续发送和接收数据的通信过程；并行通信则是多个比特位通过并行通道在链路上发送（见图 1）。大多数计算机网络都采用串行通信，因为它线路少，比并行通信性价比高。

图 1：并行通信与串行通信

串行总线由两条线路或通道组成：一条通道发送数据（发送器），另一条接收数据（接收器）。串行通信可进一步细分为同步接口通信和异步接口通信。同步接口将数据线与时钟信号配对，使通信速度更快，但需要在设备之间增加一条线；异步接口则无需外部时钟信号即可传输数据，因此可最大限度地减少线路数量。

本文将重点介绍较常用的异步串行接口，并主要关注 RS-485 标准。

串行通信标准

无论通信过程如何变化，业界都有既定的标准来确保发送器和接收器在串行通信系统中有效的通信。美国电子工业协会 (EIA)针对异步串行通信也制定了相应的通信标准，包括从 RS-232C到 RS-485的几个版本（见表 1）。

表 1：RS-232C 、RS-422A和 RS-485 通信标准

参数	RS-232C	RS-422A	RS-485
连接类型	点对点连接	多点连接	多点连接
最大连接设备数	1 个驱动器，1 个接收器	1 个驱动器，10 个接收器	32 个驱动器，32 个接收器
最大传输速率	20kbps	10Mbps	10Mbps
最大电缆长度	15m	1200m	1200m
操作模式	单端（非平衡型）	差分（平衡型）	差分（平衡型）
连接示意图
优点	• 最流行 • 单工	• 长距离 • 全双工 • 1:N 连接	• 长距离 • 全双工, 半双工 • N:N 连接
缺点	• 距离短 • 噪声敏感 • 传输速率慢	• 不常用 • 一个发送器 • 单向	• 需要终端电阻

EZmotion产品采用 RS-485 标准通信，它速度更快、抗噪性能出色，而且最多可部署31 个从设备。

RS-485 和 Modbus

RS-485 是一种传输标准，这意味着它是一套得到广泛认可的数据通信准则。Modbus 则是一种协议，它是由发送方和接收方商定的一组规则和流程。尽管听起来类似，但二者实有不同，可以理解为，通信系统实施某种协议来遵循特定的标准。在这里我们可以说，Modbus 协议使发送方和接收方都遵守了 RS-485 中确立的标准。

RS-485 用于实现串行数据通信，同时为连接到同一总线的多个设备服务。由于可用于多个设备（最多 32 个发送器和 32 个接收器）、最大电缆长度长且最大传输速率高，RS-485 常用于计算机和自动化系统、工厂，甚至剧院。

Modbus 协议定义了主设备与从设备之间的通信方式（见图 2）。在 RS-485 上实现Modbus时，由主设备发起通信，向从设备发送查询。主设备可以寻址特定的从设备，也可以发送广播（或全呼）地址，网络上的所有从设备都可以接收该地址。从设备不能主动发起与主设备的通信，只能响应收到的消息。

图 2：主设备与从设备之间的通信

Modbus通信分为以下两种类型：

1. Modbus 请求: 这是由主设备生成并发送给从设备的请求。该请求告诉从设备需要执行的操作，并提供从设备执行相关操作所需的其他信息。它通过数据字段告诉从设备从哪个寄存器开始读以及要读取多少个寄存器。

此外，主设备还提供循环冗余校验（CRC）码。CRC请求应与从设备的CRC值匹配。一旦匹配，从设备即可验证发送的数据有效。

2. Modbus 响应: 这是从设备响应主设备并发送的信息，或者用于确认从设备已执行了请求的操作。如果出现错误，则代码会发生变化以指示有错误产生，数据字节会描述具体的错误。主设备通过CRC可确认是否收到有效数据。

采用 RS-485 的益处

在确定电机要使用的控制接口时，了解不同控制模式之间采用RS-485带来的优势十分必要。

步进/方向模式需要两根线来控制步进输入，另两根线来控制方向输入。因此，带两个电机的系统至少需要 8 根线才能正常运行。如果采用 RS-485，用户可以使用两根线以菊花链形式连接多达 31 个设备。更少的线路不仅可提高系统可靠性，还可以减小系统尺寸，而且更容易扩展，因为添加额外电机时需要的组件也更少。此外，步进/方向控制需要专用输出，而 RS-485 可以使用目前大多数设备上现有的通信通道。

I/O 控制需要物理连接来更改输入和输出逻辑。通过RS-485 接口，用户可以访问 I/ O以及完整的电机参数和状态信息。

Modbus RTU架构

Modbus RTU采用客户端/服务器技术，应用于主设备和从设备。在此情况下，主设备向其中一个从设备发起事务（query），从设备随后回复响应（response）。主设备可以寻址单个从设备或向网络上的所有从设备广播消息。

数据帧格式包含地址字段、功能码、数据和 CRC（见图 3）。

图3：Modbus RTU数据帧

如果没有错误产生，从设备将以任务完成确认、数据请求和错误检查字段进行响应。如果检测到通信错误，则发送异常响应。图 4 显示了异常数据帧格式。

图4：Modbus异常数据帧

利用 RS-485 控制电机

采用RS-485 控制电机时，用户可以通过寄存器设置以绝对命令模式或增量命令模式来配置电机的位置。绝对命令模式指示电机直接移动到一个绝对位置，而增量命令模式则使电机相对于当前位置按增量值移动。

当电机接收到新的指令位置，其参考生成模块会计算出一条平滑的位置曲线，以确保电机平稳过渡到目的位置（见图 5）。

图 5：位置参考曲线

电机的速度限制能够自适应变化，让电机以最快的速度到达新位置。下面描述了几种场景示例：

• 如果能够以更快的速度到达目标位置，则电机将提高速度。

• 如果电机无法充分加速然后再减速以到达某个位置，则保持现有速度。

• 如果参考生成模块确定电机无法以可配置速度斜率减速，则电机会减速，以便在达到该位置后速度为零。

• 如果电机在速度下降时接收到新的指令位置，则参考生成模块会再次提高速度，以便电机尽快到达其目标位置。

MMS7xx-R1 和 MMP7xx-R1 还提供速度控制。在这种模式下，可将速度（以 rpm 为单位）设置为目标值，同时配置速度上升/下降斜率。当速度参考更新时，电机的速度会根据设置的斜率提高或降低到目标速度。如果在速度提高到新水平时斜率发生变化，则斜率立即改变，电机会根据新斜率达到目标速度。图 6 展示了速度参考曲线。

图 6：速度参考曲线

RS-485 and Modbus in EZmotion

EZmotion提供采用RS-485 的 一体化伺服电机 和 驱动模块产品组合。

EZmotion 伺服电机产品集成了磁性位置传感器，采用磁场定向控制 (FOC)，并提供多种尺寸、功率范围和工作电压。部分型号还配备参数识别和控制环路自调谐功能（见图 7）。

图 7：一体式伺服电机

表 2 列出了采用 RS-485 控制接口的一体式伺服电机（见表2）。

表 2：采用RS-485 通信的一体式伺服电机

EZmotion 的驱动模块是集成了功率级、位置传感器、控制器和驱动器的完整 PCB 模块解决方案（见图 8）。与一体式伺服电机类似，驱动模块也具有控制环路自调谐、磁场定向控制 (FOC) 和参数识别功能。

图 8：驱动模块

表 3 显示了采用 RS-485 控制接口的驱动模块。

表 3：采用 RS-485 通信的驱动模块

结语

RS-485 标准采用 Modbus 协议来改善主设备与从设备之间的串行通信。EZmotion 提供的多款产品即采用这种高度可靠的通信方式。请联系 EZmotion 获取更多帮助和支持，找到最适合您应用需求的 一体式伺服电机 或 驱动模块 。