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前言
數位馬達控制是使用數位訊號處理器來控制馬達的動作。一般來說，數位訊號處理器需要一個或多個回授訊號的方法以達成閉回路控制的目的。這些特點是數位控制系統與類比控制系統以及開回路控制系統的不同之處。
數位馬達控制被使用在許多的應用場合中。這些應用場合包括儲存裝置（例如磁碟機）、工業機器人、高精密度的半導體製程以及印表機、影印機等。
a. 馬達類型
使用於數位馬達控制中的馬達包含下列數種型式，其中最常見的是分數馬力的旋轉馬達。這些馬達可以根據換向的方式再細分為交流型，直流有刷型以及直流無刷型。一般來說，小型的馬達會使用尺寸大小或者以瓦特數為單位的輸出功率作為規格；大型的馬達（多為交流馬達）則會依以馬力數為單位的輸出功率進行分類。雖然旋轉型的馬達較為常見，但是馬達仍有如線型馬達、齒輪馬達(gearhead motors)（使用不同形式的制動器(actuator)）等其他的形式。
b. 回授
為了要獲得位置、速度、轉矩或者其他馬達系統的動態資訊，數位控制器必須使用回授感測器。最常用的感測器是旋轉編碼器。編碼器是一個固定在馬達轉軸上之具有許多狹縫的轉輪。當馬達旋轉時，裝置其上的光學感測器會偵測經過的狹縫個數並產生電氣訊號，控制器則利用此一電氣訊號計算控制馬達的轉速。其他型式的感測器包括感應形式的測速器(tachometers)、同步計( synchros)以及解析計(resolvers)；磁性形式的霍爾感測器以及阻抗形式的分壓器等。
無論控制器使用何種型式的感測器，為了獲得系統最新的動態資訊，數位控制器都必須持續的對感測訊號進行取樣。根據系統對速度、動態響應以及精確度需求的不同，回授訊號的取樣頻率可能高達每秒數千次。
c. 控制器
類比或數位形式的控制器將動作命令與系統實際的動態相比較，然後處理輸入訊號以產生制動器的控制訊號。對數位型式的控制器來說，系統可能還包括啟動程序，自我偵測，通訊控制以及對多個感測器進行取樣等額外的工作。
數位控制器可能使用複雜的專用數位訊號處理器，也可能只使用簡單的單晶片可程式閘陣列(single-chip programmed gate arrays)。設計人員可以找到專為馬達控制目的而設計的數位訊號處理器，也可以使用具有多種功能、泛用型的微處理器。
d. 資料傳輸
本段將說明RS-485應用於馬達控制以及動作控制應用場合時的優點。對這類的應用場合而言，RS-485技術具有對雜訊免疫、寬廣的共模範圍、資料傳輸速率適當以及多點傳輸能力等優點，這些將在下一段中會有詳細的說明。其他的應用場合也會因為RS-485的這些優點而使用此一通訊技術，這些應用場合包括程序控制網路、工業自動化、遠端控制、建築自動化以及安全系統等。由於這些應用場合需要在相當長的距離下進行穩定的資料傳輸，因此它們皆採用RS-485技術。一般來說，RS-485必須配合諸如Profibus、Interbus、Modbus或BACnet等通訊協定進行資料傳輸，使用者會依其需要決定採用何種通訊協定。
當然RS-485無法適用於所有的應用場合，此時系統會採用其他的通訊技術。舉例來說，某些應用場合可能會採用RS-232或RS-422通訊技術，系統也會因為與現存網路的相容性問題而採用如CAN (Controller Area Network, 控制器區域網路)或EtherNet/IP (Industrial Protocol, 工業通訊協定)等通訊協定。對於需要高速傳輸且傳輸距離不長、共模電壓之影響也較不重要的應用場合而言，採用M-LVDS通訊技術可以降低功率的消耗。
e. 基本架構
在下列的馬達控制應用場合範例中，各式的介面對資料傳輸的需求均各不相同。下表將針對不同樣式的訊號提出說明，並進行訊號特性、傳輸速度以及訊號準位的比較。
由上表可以看出，為了符合數位馬達控制的需求，各項資料傳輸架構的操作範圍均相當大。RS-485通訊的傳輸速率範圍為直流到高於10 MHz，因此可以符合這些需求。此外，RS-485通訊具有相當穩定的訊號準位。圖3為這些訊號的圖示。值得注意的是，圖中所示為一單軸系統。對多軸系統來說，系統會使用同一個控制器並使用耦合的機制連接到同一個工具/負載上。
根據各個應用場合實體配置的不同，控制器、伺服放大器、馬達以及負載之間的距離可能相當長。除了距離的考量之外，設計系統時還需要考慮諸如電氣雜訊、溫度以及傳輸線故障等因素。為了達到有效資料傳輸的要求，系統必須能在各種距離以及環境狀況下提供元件間可靠的通訊。
II. 資料傳輸的考量以及RS-485如何符合這些要求
為了使系統元件間得以進行有效率、穩定的通訊，數位馬達控制應用場合必須符合下列的挑戰。由於馬達控制系統中包含了一個易產生高電氣雜訊並具有高電流準位的電機機械式制動器，因此在設計控制傳動機制的通訊路徑時，必須考慮安全性以及可靠性。除此之外，此類應用場合對傳輸線的配置有特殊要求，因此傳輸線的長度也會變長；伺服系統的穩定度要求則對訊號傳輸速率有額外的需求。
a. 環境因素
i. EMI/雜訊免疫力
電磁干擾 (EMI) 會影響馬達控制系統中的訊號。典型的電磁干擾來源包括馬達的驅動電壓、馬達電刷的雜訊、工具來源(tool sources)、時脈、顯示器以及其他與電腦相關元件所產生的電氣雜訊等。在類比系統中，雜訊訊號可能會造成動作異常或不穩定。然而由於二進位編碼天生具有的訊號對雜訊比，數位系統的主要考量應該是突波脈衝，因為這些脈衝可能會被控制器解讀成命令或回授訊號。
RS-485通訊標準具有可以克服EMI的功能。首先，RS-485的訊號是以平衡差動的方式傳輸，同時RS-485大多使用雙絞線作為傳輸線。因此，所有的電氣雜訊會相等的被耦合到兩條雙絞線上。也就是說，由於接收器只對差動的電壓訊號有反應，在電壓的差異值代表傳輸訊號值的前提下，雜訊的影響將會被降到最低。
RS-485訊號準位的定義為：對任何驅動端而言，其中一條線為高電位，另一條線則為低電位。兩條線間的電壓差異值必須高於1.5伏特或低於–1.5伏特方能傳輸一個有效的狀態。此一定義適用於所有的負載狀況。
對接收端而言，接收端的規格對EMI雜訊拒斥能力影響很大。RS-485標準要求接收到的差動訊號振幅必須大於等於200 毫伏特才認定為一有效狀態。此一敏感度(sensitivity)數值主要是考量訊號在傳輸線中傳輸時可能會因傳輸線阻抗造成訊號的損失進而導致接收端的訊號振幅較驅動端低1.5伏特（或以上）。
另一個重要的考量（此一考量並未出現在RS-485規格中）為接收器的磁滯能力。所謂的磁滯是指訊號由低到高或由高到低的暫態時的差異門檻(threshold)值。
由於傳輸線對不可能百分之百平衡，因此受到EMI還是可能會造成一些差模雜訊。當接收器不具磁滯功能時，每當輸入訊號因實際狀態改變或受到雜訊影響而產生交會（電壓差異值等於0）時，接收器便會改變狀態。因此，接收器必須提供磁滯功能以避免突波脈衝的影響，此一影響在傳輸閒置或轉態(transition periods)時特別明顯。
根據突波衝發生在系統中的位置，這些雜訊可能被解讀成編碼器的計數、步進命令或制動器的訊號。具有較高磁滯準位的接收器對EMI雜訊的容忍度較高。一般來說，RS-485接收器的磁滯值約介於40 到 60 毫伏特之間。對諸如數位馬達控制等環境電氣雜訊較高的應用場合而言，其接收器的磁滯值可能高達100 毫伏特。
另外一個可能會影響到馬達控制應用場合之通訊能力的因素乃是驅動端與接收端接地點參考電位間的差異值。對於諸如高功率手工具的電流形式負載來說，這類問題可能發生。此外，馬達的反電動勢(back-EMF)，設備故障以及因鄰近地區被閃電擊中所導致的二次電壓突波也可能造成區域性的電壓突波。
下列的範例將說明馬達控制應用場合中，接地點電壓偏壓如何發生。圖中所示為一典型的馬達以及放大器/控制器，在馬達與控制器間接有相當長度的電纜以進行通訊並提供電力。
假設節點1與節點2間的電纜為50公尺長的14號(AWG)線，這條線主要用來供應24伏特的電源，並假設該線的阻抗RCOPPER大約為0.5歐姆。在正常的操作狀態下，假設馬達電流不大於2安培。但是在堵轉故障發生時，馬達的電流可能會突升至10安培。也就是說，這個電流會造成GND1 與 GND2 間電纜線上5伏特的壓降。也就是說，以GND1為參考準位的訊號當傳送到節點2時其準位會被位移-5伏特。由於所有的訊號都會產生同樣的電壓移位，此一現象被稱為共模電壓移位。
此一現象會對使用單端資料傳輸形式的通訊協定造成影響，然而5伏特的接地點電壓移位仍在標準RS-485的共模電壓(VCM)範圍之內。由於由節點1所送出的差動訊號產生了同樣的電壓移位，因此其差模訊號仍然是有效的，RS-485也仍然能夠可靠的接收到這些訊號。
以德州儀器所出品的RS-485接收器為例，均符合或超過TIA/EIA-485的操作標準，這些產品的共模電壓範圍為–7 到 12伏特。對於需要更寬廣VCM範圍的應用場合而言，則可以使用共模電壓範圍為–20 到 25伏特 ，如SN65HVD22之類的產品。
數位馬達控制是使用數位訊號處理器來控制馬達的動作。一般來說，數位訊號處理器需要一個或多個回授訊號的方法以達成閉回路控制的目的。這些特點是數位控制系統與類比控制系統以及開回路控制系統的不同之處。
數位馬達控制被使用在許多的應用場合中。這些應用場合包括儲存裝置（例如磁碟機）、工業機器人、高精密度的半導體製程以及印表機、影印機等。
a. 馬達類型
使用於數位馬達控制中的馬達包含下列數種型式，其中最常見的是分數馬力的旋轉馬達。這些馬達可以根據換向的方式再細分為交流型，直流有刷型以及直流無刷型。一般來說，小型的馬達會使用尺寸大小或者以瓦特數為單位的輸出功率作為規格；大型的馬達（多為交流馬達）則會依以馬力數為單位的輸出功率進行分類。雖然旋轉型的馬達較為常見，但是馬達仍有如線型馬達、齒輪馬達(gearhead motors)（使用不同形式的制動器(actuator)）等其他的形式。
b. 回授
為了要獲得位置、速度、轉矩或者其他馬達系統的動態資訊，數位控制器必須使用回授感測器。最常用的感測器是旋轉編碼器。編碼器是一個固定在馬達轉軸上之具有許多狹縫的轉輪。當馬達旋轉時，裝置其上的光學感測器會偵測經過的狹縫個數並產生電氣訊號，控制器則利用此一電氣訊號計算控制馬達的轉速。其他型式的感測器包括感應形式的測速器(tachometers)、同步計( synchros)以及解析計(resolvers)；磁性形式的霍爾感測器以及阻抗形式的分壓器等。
無論控制器使用何種型式的感測器，為了獲得系統最新的動態資訊，數位控制器都必須持續的對感測訊號進行取樣。根據系統對速度、動態響應以及精確度需求的不同，回授訊號的取樣頻率可能高達每秒數千次。
c. 控制器
類比或數位形式的控制器將動作命令與系統實際的動態相比較，然後處理輸入訊號以產生制動器的控制訊號。對數位型式的控制器來說，系統可能還包括啟動程序，自我偵測，通訊控制以及對多個感測器進行取樣等額外的工作。
數位控制器可能使用複雜的專用數位訊號處理器，也可能只使用簡單的單晶片可程式閘陣列(single-chip programmed gate arrays)。設計人員可以找到專為馬達控制目的而設計的數位訊號處理器，也可以使用具有多種功能、泛用型的微處理器。
d. 資料傳輸
本段將說明RS-485應用於馬達控制以及動作控制應用場合時的優點。對這類的應用場合而言，RS-485技術具有對雜訊免疫、寬廣的共模範圍、資料傳輸速率適當以及多點傳輸能力等優點，這些將在下一段中會有詳細的說明。其他的應用場合也會因為RS-485的這些優點而使用此一通訊技術，這些應用場合包括程序控制網路、工業自動化、遠端控制、建築自動化以及安全系統等。由於這些應用場合需要在相當長的距離下進行穩定的資料傳輸，因此它們皆採用RS-485技術。一般來說，RS-485必須配合諸如Profibus、Interbus、Modbus或BACnet等通訊協定進行資料傳輸，使用者會依其需要決定採用何種通訊協定。
當然RS-485無法適用於所有的應用場合，此時系統會採用其他的通訊技術。舉例來說，某些應用場合可能會採用RS-232或RS-422通訊技術，系統也會因為與現存網路的相容性問題而採用如CAN (Controller Area Network, 控制器區域網路)或EtherNet/IP (Industrial Protocol, 工業通訊協定)等通訊協定。對於需要高速傳輸且傳輸距離不長、共模電壓之影響也較不重要的應用場合而言，採用M-LVDS通訊技術可以降低功率的消耗。
e. 基本架構
在下列的馬達控制應用場合範例中，各式的介面對資料傳輸的需求均各不相同。下表將針對不同樣式的訊號提出說明，並進行訊號特性、傳輸速度以及訊號準位的比較。
由上表可以看出，為了符合數位馬達控制的需求，各項資料傳輸架構的操作範圍均相當大。RS-485通訊的傳輸速率範圍為直流到高於10 MHz，因此可以符合這些需求。此外，RS-485通訊具有相當穩定的訊號準位。圖3為這些訊號的圖示。值得注意的是，圖中所示為一單軸系統。對多軸系統來說，系統會使用同一個控制器並使用耦合的機制連接到同一個工具/負載上。
根據各個應用場合實體配置的不同，控制器、伺服放大器、馬達以及負載之間的距離可能相當長。除了距離的考量之外，設計系統時還需要考慮諸如電氣雜訊、溫度以及傳輸線故障等因素。為了達到有效資料傳輸的要求，系統必須能在各種距離以及環境狀況下提供元件間可靠的通訊。
II. 資料傳輸的考量以及RS-485如何符合這些要求
為了使系統元件間得以進行有效率、穩定的通訊，數位馬達控制應用場合必須符合下列的挑戰。由於馬達控制系統中包含了一個易產生高電氣雜訊並具有高電流準位的電機機械式制動器，因此在設計控制傳動機制的通訊路徑時，必須考慮安全性以及可靠性。除此之外，此類應用場合對傳輸線的配置有特殊要求，因此傳輸線的長度也會變長；伺服系統的穩定度要求則對訊號傳輸速率有額外的需求。
a. 環境因素
i. EMI/雜訊免疫力
電磁干擾 (EMI) 會影響馬達控制系統中的訊號。典型的電磁干擾來源包括馬達的驅動電壓、馬達電刷的雜訊、工具來源(tool sources)、時脈、顯示器以及其他與電腦相關元件所產生的電氣雜訊等。在類比系統中，雜訊訊號可能會造成動作異常或不穩定。然而由於二進位編碼天生具有的訊號對雜訊比，數位系統的主要考量應該是突波脈衝，因為這些脈衝可能會被控制器解讀成命令或回授訊號。
RS-485通訊標準具有可以克服EMI的功能。首先，RS-485的訊號是以平衡差動的方式傳輸，同時RS-485大多使用雙絞線作為傳輸線。因此，所有的電氣雜訊會相等的被耦合到兩條雙絞線上。也就是說，由於接收器只對差動的電壓訊號有反應，在電壓的差異值代表傳輸訊號值的前提下，雜訊的影響將會被降到最低。
RS-485訊號準位的定義為：對任何驅動端而言，其中一條線為高電位，另一條線則為低電位。兩條線間的電壓差異值必須高於1.5伏特或低於–1.5伏特方能傳輸一個有效的狀態。此一定義適用於所有的負載狀況。
對接收端而言，接收端的規格對EMI雜訊拒斥能力影響很大。RS-485標準要求接收到的差動訊號振幅必須大於等於200 毫伏特才認定為一有效狀態。此一敏感度(sensitivity)數值主要是考量訊號在傳輸線中傳輸時可能會因傳輸線阻抗造成訊號的損失進而導致接收端的訊號振幅較驅動端低1.5伏特（或以上）。
另一個重要的考量（此一考量並未出現在RS-485規格中）為接收器的磁滯能力。所謂的磁滯是指訊號由低到高或由高到低的暫態時的差異門檻(threshold)值。
由於傳輸線對不可能百分之百平衡，因此受到EMI還是可能會造成一些差模雜訊。當接收器不具磁滯功能時，每當輸入訊號因實際狀態改變或受到雜訊影響而產生交會（電壓差異值等於0）時，接收器便會改變狀態。因此，接收器必須提供磁滯功能以避免突波脈衝的影響，此一影響在傳輸閒置或轉態(transition periods)時特別明顯。
根據突波衝發生在系統中的位置，這些雜訊可能被解讀成編碼器的計數、步進命令或制動器的訊號。具有較高磁滯準位的接收器對EMI雜訊的容忍度較高。一般來說，RS-485接收器的磁滯值約介於40 到 60 毫伏特之間。對諸如數位馬達控制等環境電氣雜訊較高的應用場合而言，其接收器的磁滯值可能高達100 毫伏特。
另外一個可能會影響到馬達控制應用場合之通訊能力的因素乃是驅動端與接收端接地點參考電位間的差異值。對於諸如高功率手工具的電流形式負載來說，這類問題可能發生。此外，馬達的反電動勢(back-EMF)，設備故障以及因鄰近地區被閃電擊中所導致的二次電壓突波也可能造成區域性的電壓突波。
下列的範例將說明馬達控制應用場合中，接地點電壓偏壓如何發生。圖中所示為一典型的馬達以及放大器/控制器，在馬達與控制器間接有相當長度的電纜以進行通訊並提供電力。
假設節點1與節點2間的電纜為50公尺長的14號(AWG)線，這條線主要用來供應24伏特的電源，並假設該線的阻抗RCOPPER大約為0.5歐姆。在正常的操作狀態下，假設馬達電流不大於2安培。但是在堵轉故障發生時，馬達的電流可能會突升至10安培。也就是說，這個電流會造成GND1 與 GND2 間電纜線上5伏特的壓降。也就是說，以GND1為參考準位的訊號當傳送到節點2時其準位會被位移-5伏特。由於所有的訊號都會產生同樣的電壓移位，此一現象被稱為共模電壓移位。
此一現象會對使用單端資料傳輸形式的通訊協定造成影響，然而5伏特的接地點電壓移位仍在標準RS-485的共模電壓(VCM)範圍之內。由於由節點1所送出的差動訊號產生了同樣的電壓移位，因此其差模訊號仍然是有效的，RS-485也仍然能夠可靠的接收到這些訊號。
以德州儀器所出品的RS-485接收器為例，均符合或超過TIA/EIA-485的操作標準，這些產品的共模電壓範圍為–7 到 12伏特。對於需要更寬廣VCM範圍的應用場合而言，則可以使用共模電壓範圍為–20 到 25伏特 ，如SN65HVD22之類的產品。
