工業(yè)電機(jī)控制系統(tǒng)方案

這篇工業(yè)電機(jī)控制概述著重介紹了直流電機(jī)、無刷直流電機(jī)、交流感應(yīng)電機(jī)的差異及其子系統(tǒng)，深入分析了電流監(jiān)測(cè)與測(cè)量、溫度檢測(cè)子系統(tǒng)、電機(jī)速度、位置、位移檢測(cè)系統(tǒng)、多通道電流和電壓監(jiān)測(cè)與控制以及帶有編碼器數(shù)據(jù)接口的高精度電機(jī)控制子系統(tǒng)。

電機(jī)消耗的能量幾乎占全球電力的50%.隨著能源成本的持續(xù)上漲，業(yè)內(nèi)開始采用微處理器調(diào)速驅(qū)動(dòng)器替代效率低下的固定速率電機(jī)和驅(qū)動(dòng)器，這種新型電機(jī)控制技術(shù)與傳統(tǒng)驅(qū)動(dòng)器相比，能夠使能耗平均降低30%以上。雖然調(diào)速電機(jī)提高了系統(tǒng)本身的成本，但是，考慮到電機(jī)能夠節(jié)省的能量以及所增加的功能，只需短短幾年即可挽回最初的投資成本。


圖1

通用電機(jī)設(shè)計(jì)

直流電機(jī)、無刷直流和交流感應(yīng)電機(jī)是當(dāng)今工業(yè)應(yīng)用設(shè)計(jì)中最常見的電機(jī)。盡管每種類型的電機(jī)都有獨(dú)特的性能，但基本工作原理類似。當(dāng)一個(gè)導(dǎo)體通電時(shí)，例如線圈繞組，如果導(dǎo)體處于一個(gè)與其垂直的外部磁場(chǎng)內(nèi)，導(dǎo)體將會(huì)受到一個(gè)與自身和外部磁場(chǎng)垂直的力。

直流電機(jī)：低成本和高精度驅(qū)動(dòng)性能

直流電機(jī)是最先投入使用的電機(jī)類型，目前仍然以低開發(fā)成本和卓越的驅(qū)動(dòng)性能得到普遍應(yīng)用。在最簡單的直流電機(jī)中，定子（即電機(jī)固定部件）為永久磁鐵，轉(zhuǎn)子（即電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)部件）上纏繞了電樞繞組，電樞繞組連接到機(jī)械換向開關(guān)，該開關(guān)控制繞組電流的導(dǎo)通和關(guān)閉。磁鐵建立的磁通量與電樞電流相互作用，產(chǎn)生電磁扭矩，從而使電機(jī)做功。電機(jī)速度通過調(diào)整電樞繞組的直流電壓進(jìn)行控制。

根據(jù)具體應(yīng)用的不同，可以采用全橋、半橋或一個(gè)簡單的降壓轉(zhuǎn)換器驅(qū)動(dòng)電樞繞組。這些轉(zhuǎn)換器的開關(guān)通過脈寬調(diào)制（PWM）獲得相應(yīng)的電壓。Maxim的高邊或橋式驅(qū)動(dòng)器IC，例如：MAX15024/MAX15025，可以用來驅(qū)動(dòng)全橋或半橋電路的FET.

直流電機(jī)還廣泛用于對(duì)速度、精度要求很高的伺服系統(tǒng)。為了滿足速度和精度的要求，基于微處理器的閉環(huán)控制和轉(zhuǎn)子位置非常關(guān)鍵。Maxim的MAX9641霍爾傳感器能夠用于提供轉(zhuǎn)子的位置信息。


圖2工業(yè)電機(jī)控制系統(tǒng)典型電路框圖。

交流感應(yīng)電機(jī)：簡單、堅(jiān)固耐用

交流感應(yīng)電機(jī)以簡單、堅(jiān)固耐用而著稱，被廣泛用于工業(yè)領(lǐng)域。最簡單的交流電機(jī)就是一個(gè)變壓器，原級(jí)電壓連接到交流電壓源，次級(jí)短路承載感應(yīng)電流?！案袘?yīng)”電機(jī)的名稱源于“感應(yīng)次級(jí)電流”。定子載有一個(gè)三相繞組，轉(zhuǎn)子設(shè)計(jì)簡單，通常被稱為“鼠籠”，其中，兩端的銅或鋁棒通過鑄鋁環(huán)短路。由于沒有轉(zhuǎn)子繞組和碳刷，這種電機(jī)的設(shè)計(jì)非?？煽?。


圖3感應(yīng)電機(jī)的轉(zhuǎn)子和定子

工作在60Hz電壓時(shí)，感應(yīng)電機(jī)恒速運(yùn)轉(zhuǎn)。然而，當(dāng)采用電源電路和基于微處理器的系統(tǒng)時(shí)，可以控制電機(jī)速度變化。變速驅(qū)動(dòng)器由逆變器、信號(hào)調(diào)理器和基于微處理器的控制器組成。逆變器采用三個(gè)半橋，頂部和底部切換以互補(bǔ)方式控制。Maxim提供多種半橋驅(qū)動(dòng)器，如MAX15024/MAX15025，可獨(dú)立控制頂部和底部FET.

精確測(cè)量三相電機(jī)電流、轉(zhuǎn)子位置及轉(zhuǎn)速是對(duì)感應(yīng)電機(jī)進(jìn)行高效閉環(huán)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(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC），能夠在惡劣環(huán)境下精確測(cè)量這些參數(shù)。

微處理器利用電流和位置數(shù)據(jù)產(chǎn)生三相橋路的邏輯信號(hào)。一種常見的閉環(huán)控制技術(shù)稱為矢量控制，它消除了磁場(chǎng)電流矢量和定子磁通量之間的耦合，從而能夠獨(dú)立控制，提供更快的瞬態(tài)響應(yīng)。

無刷直流電機(jī)：高可靠性和高輸出功率

無刷直流（BLDC）電機(jī)既沒有換向器也沒有碳刷，相對(duì)于直流電機(jī)而言需要更少的維護(hù)。相對(duì)于感應(yīng)電機(jī)或直流電機(jī)而言，同等規(guī)格的無刷直流電機(jī)能提供更大的輸出功率。

BLDC電機(jī)的定子與感應(yīng)電機(jī)的定子非常相似。但是，BLDC電機(jī)的轉(zhuǎn)子可以采用不同形式，當(dāng)然，都屬于永久磁鐵。氣隙磁通量由磁鐵固定，不受轉(zhuǎn)子電流的影響。BLDC電機(jī)還需要一定形式的轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)。通常利用定子中嵌入的霍爾器件檢測(cè)轉(zhuǎn)子位置。當(dāng)轉(zhuǎn)子的磁極經(jīng)過霍爾傳感器附近時(shí)，會(huì)有一個(gè)信號(hào)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(gè)霍爾傳感器和數(shù)字邏輯電路，可提供磁場(chǎng)位置、方向輸出，從而簡化設(shè)計(jì)并降低系統(tǒng)成本。

傳感器、信號(hào)轉(zhuǎn)換和數(shù)據(jù)接口的重要性

在電機(jī)控制環(huán)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(cè)可能損壞系統(tǒng)的故障狀態(tài)，從而提高系統(tǒng)可靠性。以下章節(jié)詳細(xì)介紹了傳感器在電機(jī)控制中的作用，特別是電流檢測(cè)放大器、霍爾傳感器和可變磁阻（VR）傳感器。其它內(nèi)容包括：利用高速模/數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）監(jiān)測(cè)、控制多通道電流和電壓，高精度電機(jī)控制所需的編碼器數(shù)據(jù)接口等。

檢測(cè)并監(jiān)控電流優(yōu)化電機(jī)控制

電流監(jiān)測(cè)

電流是用于檢測(cè)、監(jiān)測(cè)并反饋給電機(jī)控制環(huán)路的常見信號(hào)。利用電流檢測(cè)放大器可以輕松地精確監(jiān)測(cè)系統(tǒng)流入、流出的電流。采用電流檢測(cè)放大器可以省去傳感器，因?yàn)樾枰獪y(cè)量的是電信號(hào)本身。電流檢測(cè)放大器能夠檢測(cè)短路和瞬態(tài)狀況，并監(jiān)測(cè)電源和電池反接故障。

電流測(cè)量

電流測(cè)量有很多渠道，但截至目前為止，最常見的方案是采用檢流電阻進(jìn)行測(cè)量。這種方法的基本原理是：利用基于運(yùn)放的差分放大器對(duì)檢流電阻兩端的電壓進(jìn)行放大，然后測(cè)量放大后的電壓信號(hào)。傳統(tǒng)設(shè)計(jì)中通常采用分立器件。但分立方案存在一些缺點(diǎn)，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(yùn)的是，這些缺點(diǎn)可以通過在設(shè)計(jì)中使用集成電流檢測(cè)放大器得以解決。放大器不僅測(cè)量電流，還可以檢測(cè)電流方向，具有較寬的共模范圍，能夠提供高精度測(cè)量。

電流測(cè)量可以采用低邊檢測(cè)（檢測(cè)電阻與接地通路串聯(lián)），也可以采用高邊檢測(cè)（檢測(cè)電阻與火線串聯(lián)）。低邊檢測(cè)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(cè)中，負(fù)載接地，但高邊電阻必須承受相當(dāng)大的共模信號(hào)。高邊檢測(cè)能夠?qū)收蠣顟B(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，例如，電機(jī)外殼或繞組對(duì)地短路。