淺談工業電機控制系統方案

　　摘要：這篇著重介紹了直流電機、無刷直流電機、交流感應電機的差異及其子系統，深入分析了電流監測與測量、溫度檢測子系統、電機速度、位置、位移檢測系統、多通道電流和電壓監測與控制以及帶有編碼器數據接口的高精度電機控制子系統。
　　
　　電機消耗的能量幾乎占電力的50%.隨著能源成本的持續上漲，業內開始采用微處理器調速驅動器替代效率低下的固定速率電機和驅動器，這種新型電機控制技術與傳統驅動器相比，能夠使能耗平均降低30%以上。雖然調速電機提高了系統本身的成本，但是，考慮到電機能夠節省的能量以及所增加的功能，只需短短幾年即可挽回zui初的投資成本。
　　
　　通用電機設計
　　
　　直流電機、無刷直流和交流感應電機是當今工業應用設計中zui常見的電機。盡管每種類型的電機都有*的性能，但基本工作原理類似。當一個導體通電時，例如線圈繞組，如果導體處于一個與其垂直的外部磁場內，導體將會受到一個與自身和外部磁場垂直的力。
　　
　　直流電機：低成本和高精度驅動性能
　　
　　直流電機是zui先投入使用的電機類型，目前仍然以低開發成本和的驅動性能得到普遍應用。在zui簡單的直流電機中，定子（即電機固定部件）為*磁鐵，轉子（即電機的轉動部件）上纏繞了電樞繞組，電樞繞組連接到機械換向開關，該開關控制繞組電流的導通和關閉。磁鐵建立的磁通量與電樞電流相互作用，產生電磁扭矩，從而使電機做功。電機速度通過調整電樞繞組的直流電壓進行控制。
　　
　　根據具體應用的不同，可以采用全橋、半橋或一個簡單的降壓轉換器驅動電樞繞組。這些轉換器的開關通過脈寬調制（PWM）獲得相應的電壓。Maxim的高邊或橋式驅動器IC，例如：MAX15024/MAX15025，可以用來驅動全橋或半橋電路的FET.
　　
　　直流電機還廣泛用于對速度、精度要求很高的伺服系統。為了滿足速度和精度的要求，基于微處理器的閉環控制和轉子位置非常關鍵。Maxim的MAX9641霍爾傳感器能夠用于提供轉子的位置信息。
　　
　　交流感應電機：簡單、堅固耐用
　　
　　交流感應電機以簡單、堅固耐用而著稱，被廣泛用于工業領域。zui簡單的交流電機就是一個變壓器，原級電壓連接到交流電壓源，次級短路承載感應電流。“感應”電機的名稱源于“感應次級電流”。定子載有一個三相繞組，轉子設計簡單，通常被稱為“鼠籠”，其中，兩端的銅或鋁棒通過鑄鋁環短路。由于沒有轉子繞組和碳刷，這種電機的設計非常可靠。
　　
　　工作在60Hz電壓時，感應電機恒速運轉。然而，當采用電源電路和基于微處理器的系統時，可以控制電機速度變化。變速驅動器由逆變器、信號調理器和基于微處理器的控制器組成。逆變器采用三個半橋，頂部和底部切換以互補方式控制。Maxim提供多種半橋驅動器，如MAX15024/MAX15025，可獨立控制頂部和底部FET.
　　
　　測量三相電機電流、轉子位置及轉速是對感應電機進行閉環控制的必要條件。Maxim提供多款高邊和低邊電流放大器、霍爾傳感器以及同步采樣模/數轉換器（ADC），能夠在惡劣環境下測量這些參數。
　　
　　微處理器利用電流和位置數據產生三相橋路的邏輯信號。一種常見的閉環控制技術稱為矢量控制，它消除了磁場電流矢量和定子磁通量之間的耦合，從而能夠獨立控制，提供更快的瞬態響應。
　　
　　無刷直流電機：高可靠性和高輸出功率
　　
　　無刷直流（BLDC）電機既沒有換向器也沒有碳刷，相對于直流電機而言需要更少的維護。相對于感應電機或直流電機而言，同等規格的無刷直流電機能提供更大的輸出功率。
　　
　　BLDC電機的定子與感應電機的定子非常相似。但是，BLDC電機的轉子可以采用不同形式，當然，都屬于*磁鐵。氣隙磁通量由磁鐵固定，不受轉子電流的影響。BLDC電機還需要一定形式的轉子位置檢測。通常利用定子中嵌入的霍爾器件檢測轉子位置。當轉子的磁極經過霍爾傳感器附近時，會有一個信號指示通過的是北極還是南極。Maxim提供多款霍爾傳感器，如MAX9641，這些器件集成了兩個霍爾傳感器和數字邏輯電路，可提供磁場位置、方向輸出，從而簡化設計并降低系統成本。
　　
　　傳感器、信號轉換和數據接口的重要性
　　
　　在電機控制環路中，有幾種類型的傳感器提供反饋信息。這些傳感器還用于檢測可能損壞系統的故障狀態，從而提高系統可靠性。以下章節詳細介紹了傳感器在電機控制中的作用，特別是電流檢測放大器、霍爾傳感器和可變磁阻（VR）傳感器。其它內容包括：利用高速模/數轉換器（ADC）監測、控制多通道電流和電壓，高精度電機控制所需的編碼器數據接口等。
　　
　　檢測并監控電流優化電機控制
　　
　　電流監測
　　
　　電流是用于檢測、監測并反饋給電機控制環路的常見信號。利用電流檢測放大器可以輕松地監測系統流入、流出的電流。采用電流檢測放大器可以省去傳感器，因為需要測量的是電信號本身。電流檢測放大器能夠檢測短路和瞬態狀況，并監測電源和電池反接故障。
　　
　　電流測量
　　
　　電流測量有很多渠道，但截至目前為止，zui常見的方案是采用檢流電阻進行測量。這種方法的基本原理是：利用基于運放的差分放大器對檢流電阻兩端的電壓進行放大，然后測量放大后的電壓信號。傳統設計中通常采用分立器件。但分立方案存在一些缺點，例如：需要匹配電阻、具有較差的溫漂特性，并占用較大面積。幸運的是，這些缺點可以通過在設計中使用集成電流檢測放大器得以解決。放大器不僅測量電流，還可以檢測電流方向，具有較寬的共*圍，能夠提供高精度測量。
　　
　　電流測量可以采用低邊檢測（檢測電阻與接地通路串聯），也可以采用高邊檢測（檢測電阻與火線串聯）。低邊檢測中，電路的輸入共模電壓較低，輸出電壓以地為參考，但低邊電阻在接地通路增加了所不希望的外部電阻。高邊檢測中，負載接地，但高邊電阻必須承受相當大的共模信號。高邊檢測能夠對故障狀態進行監測，例如，電機外殼或繞組對地短路。
　　
　　高邊電流檢測放大器，如MAX4080/MAX4081，將檢流電阻放置在電源正端和被監測電路的電源輸入之間。這種設計沒有在地通道引入外接電阻，大大簡化了布局，通常也有助于改善電路的總體性能。Maxim可提供單向和雙向電流檢測IC（內置或外置檢流電阻），如MAX9918/MAX9919/MAX9920.器件的多樣性為設計提供極大靈活性，并簡化了各種ADC及其應用的器件選型。
　　
　　電機速度、位置及位移檢測
　　
　　霍爾傳感器被廣泛用于電機速度、位置和方向的檢測。這些傳感器集成了邏輯電路，能夠將數據傳送到系統進行實時反饋。傳感器還可檢測并報告任何形式的電機中斷故障，從而采取相應措施。檢測運動方向通常需要兩個霍爾傳感器。
　　
　　若系統使用的霍爾器件數量與電機相數相同，并且霍爾器件的機械結構與電機每一相的電氣特性相關聯，換向操作可以同步到霍爾傳感器輸出邊沿。Maxim的MAX9641集成了兩路霍爾傳感器和傳感器信號調理電路，提供位置和方向輸出。
　　
　　霍爾傳感器還能夠配合的霍爾傳感器接口產品使用，如MAX9621.接口器件提供多種功能：電源瞬態保護、對霍爾傳感器的吸收電流進行檢測并濾波，以及故障診斷和保護。
　　
　　與機械式光斷路器系統相比，霍爾傳感器有效提高了系統的可靠性和可重復性，而前者在灰塵和潮濕環境下無法保證可靠工作。由于霍爾傳感器檢測的是磁鐵或電流產生的磁場，所以能夠在這樣的惡劣環境下連續工作。
　　
　　有些應用中，振動、灰塵和高溫會造成有源傳感器工作異常。這種情況下，可以利用無源器件檢測電機工作并通過一個接口IC把數據反饋給系統。也可以在工作條件下選擇使用可變磁阻（VR）傳感器。
　　
　　VR傳感器，如MAX9924—MAX9927通過一個線圈檢測電機的速度和轉動。當電機上安裝的齒輪進入磁場時，磁場的磁通量將會發生變化，從而導致線圈發生變化。當齒輪靠近傳感器時，磁通量達到zui大值。當齒輪離開時，磁通量開始下降。旋轉齒輪會產生隨時間變化的磁通量，在線圈中感應產生成比例的電壓。隨后，電子電路對該信號進行處理，獲得一個更容易計數和定時的數字波形。集成VR傳感器接口方案相對于其它方案具有很多優勢，其中包括：提高抗*力、提供準確的相位信息。
　　
　　多通道電流、電壓的監測與控制
　　
　　監測、控制電機時，需要測量多個電流和電壓信號，并需要保持通道間相位信息的完整性。有兩種ADC架構供設計人員選擇：使用多個單通道ADC，這種設計很難實現同步轉換時序；或者使用同步采樣ADC.同步采樣架構可以是單芯片封裝多路ADC，所有通道采用同一轉換觸發器；也可以在模擬輸入端使用多路采樣/保持放大器（也稱為跟蹤/保持放大器）。使用多路采樣/保持放大器時，多路模擬輸入和單通道ADC之間仍需使用多路復用器。同步采樣設計無需復雜的數字信號處理算法。
　　
　　電機控制應用大多采用100ksps或更高的采樣速率。ADC以這樣的速率連續監測電機的工作狀況，提供任何故障或潛在險情的報警指示。一旦發現故障征兆，系統即可進行修復或在必要時關斷系統。如果ADC的采樣率不夠快，就不能盡早發現故障狀態并加以解決。
　　
　　不同的電機控制應用對于動態測量范圍的要求不同。有些情況下，12位分辨率即可滿足系統要求。但對于更精密的電機控制應用，16位分辨率則是更為常見的標準。利用高性能16位ADC，如MAX11044或MAX11049，系統可獲得高于90dB的動態范圍。
　　
　　Maxim提供適合各種電機控制的同步采樣ADC.包括帶有串口或并口的12/14/16位分辨率等不同類型的器件。
　　
　　帶有編碼器數據接口的高精度電機控制
　　
　　電機控制精度取決于系統需求。有些應用對于精度的要求非常高，如工業機器人技術或灌裝生產線。例如，焊接機器人需要高速、高精度工作。同樣，灌裝生產線的電機必須控制，使瓶子能夠停留在正確的位置進行灌裝、上蓋、貼標簽。為了高精度地控制電機，必須確定轉子的速度、方向和位置。這些參數可以通過模擬傳感器進行監測，如決策器、同步器、RVDT或旋轉電位計。采用類似于光編碼器和霍爾傳感器的編碼器可以獲得較高精度。編碼器為控制器提供增量和/或的轉軸角度信息。
　　
　　電機控制器計算轉子的當前速度和角度，通常由數字信號處理器（DSP）按照一定算法實現。它通過調整激勵獲得、*響應。這種反饋控制環路需要傳感器安全、可靠的信息支持，這種信息通常需要通過遠距離電纜從編碼器傳輸到控制器。
　　
　　增量信息通常以正交信號形式傳輸至控制器，即兩個信號相位差為90°。這些信號可以是模擬形式（sine+cosine），也可以是二進制形式。而位置信息僅以串行二進制數據流形式通過RS-482或RS-422總線傳輸。
　　
　　由于工作環境惡劣，需要保證數據通道高度安全、可靠。差分信號成為高EMI環境的理想選擇。由于器件靠近電機工作，因此，還需要支持高溫環境。
　　
　　Maxim提供全面的RS-485/RS-422和PROFIBUS接口器件，專為電機控制應用而設計。MAX14840E高速RS-485收發器等接口器件具備高度信號完整性和可靠性，滿足嚴格的安全控制需求和大型投資設備的開發周期需求。