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)測與測量、溫度檢測子系統(tǒng)、電機(jī)速度、位置、位移檢測系統(tǒng)、多通道電流和電壓監(jiān)測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。

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內(nèi)，導(dǎo)體將會(huì)受到一個(gè)與自身和外部磁場垂直的力。

　　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" title="傳感器">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)" title="電機(jī)控制系統(tǒng)">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。“感應(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)非常可靠。

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。通常利用定子中嵌入的霍爾器件檢測轉(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" title="信號(hào)轉(zhuǎn)換">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、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。

檢測并監(jiān)控電流優(yōu)化電機(jī)控制

　　電流監(jiān)測

　　電流是用于檢測、監(jiān)測并反饋給電機(jī)控制環(huán)路的常見信號(hào)。利用電流檢測放大器可以輕松地精確監(jiān)測系統(tǒng)流入、流出的電流。采用電流檢測放大器可以省去傳感器，因?yàn)樾枰獪y量的是電信號(hào)本身。電流檢測放大器能夠檢測短路和瞬態(tài)狀況，并監(jiān)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，最常見的方案是采用檢流電阻進(jìn)行測量。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，具有較寬的共模范圍，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(lián))，也可以采用高邊檢測(檢測電阻與火線串聯(lián))。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(fù)載接地，但高邊電阻必須承受相當(dāng)大的共模信號(hào)。高邊檢測能夠?qū)收蠣顟B(tài)進(jìn)行監(jiān)測，例如，電機(jī)外殼或繞組對(duì)地短路。

圖4

　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(jiān)測電路的電源輸入之間。這種設(shè)計(jì)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(nèi)置或外置檢流電阻)，如MAX9918/MAX9919/MAX9920。器件的多樣性為設(shè)計(jì)提供極大靈活性，并簡化了各種ADC及其應(yīng)用的器件選型。

　　電機(jī)速度、位置及位移檢測

　　霍爾傳感器被廣泛用于電機(jī)速度、位置和方向的檢測。這些傳感器集成了邏輯電路，能夠?qū)?shù)據(jù)傳送到系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)反饋。傳感器還可檢測并報(bào)告任何形式的電機(jī)中斷故障，從而采取相應(yīng)措施。檢測運(yùn)動(dòng)方向通常需要兩個(gè)霍爾傳感器。

　　若系統(tǒng)使用的霍爾器件數(shù)量與電機(jī)相數(shù)相同，并且霍爾器件的機(jī)械結(jié)構(gòu)與電機(jī)每一相的電氣特性相關(guān)聯(lián)，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(hào)調(diào)理電路，提供位置和方向輸出。

　　霍爾傳感器還能夠配合專用的霍爾傳感器接口產(chǎn)品使用，如MAX9621。接口器件提供多種功能：電源瞬態(tài)保護(hù)、對(duì)霍爾傳感器的吸收電流進(jìn)行檢測并濾波，以及故障診斷和保護(hù)。

　　與機(jī)械式光斷路器系統(tǒng)相比，霍爾傳感器有效提高了系統(tǒng)的可靠性和可重復(fù)性，而前者在灰塵和潮濕環(huán)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(chǎn)生的磁場，所以能夠在這樣的惡劣環(huán)境下連續(xù)工作。

　　有些應(yīng)用中，振動(dòng)、灰塵和高溫會(huì)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(jī)工作并通過一個(gè)接口IC把數(shù)據(jù)反饋給系統(tǒng)。也可以在極端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(gè)線圈檢測電機(jī)的速度和轉(zhuǎn)動(dòng)。當(dāng)電機(jī)上安裝的齒輪進(jìn)入磁場時(shí)，磁場的磁通量將會(huì)發(fā)生變化，從而導(dǎo)致線圈發(fā)生變化。當(dāng)齒輪靠近傳感器時(shí)，磁通量達(dá)到最大值。當(dāng)齒輪離開時(shí)，磁通量開始下降。旋轉(zhuǎn)齒輪會(huì)產(chǎn)生隨時(shí)間變化的磁通量，在線圈中感應(yīng)產(chǎn)生成比例的電壓。隨后，電子電路對(duì)該信號(hào)進(jìn)行處理，獲得一個(gè)更容易計(jì)數(shù)和定時(shí)的數(shù)字波形。集成VR傳感器接口方案相對(duì)于其它方案具有很多優(yōu)勢，其中包括：提高抗干擾能力、提供準(zhǔn)確的相位信息。

圖5

　　多通道電流、電壓的監(jiān)測與控制

　　監(jiān)測、控制電機(jī)時(shí)，需要測量多個(gè)電流和電壓信號(hào)，并需要保持通道間相位信息的完整性。有兩種ADC架構(gòu)供設(shè)計(jì)人員選擇：使用多個(gè)單通道ADC，這種設(shè)計(jì)很難實(shí)現(xiàn)同步轉(zhuǎn)換時(shí)序；或者使用同步采樣ADC。同步采樣架構(gòu)可以是單芯片封裝多路ADC，所有通道采用同一轉(zhuǎn)換觸發(fā)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(shí)，多路模擬輸入和單通道ADC之間仍需使用多路復(fù)用器。同步采樣設(shè)計(jì)無需復(fù)雜的數(shù)字信號(hào)處理算法。

　　電機(jī)控制應(yīng)用大多采用100ksps或更高的采樣速率。ADC以這樣的速率連續(xù)監(jiān)測電機(jī)的工作狀況，提供任何故障或潛在險(xiǎn)情的報(bào)警指示。一旦發(fā)現(xiàn)故障征兆，系統(tǒng)即可進(jìn)行修復(fù)或在必要時(shí)關(guān)斷系統(tǒng)。如果ADC的采樣率不夠快，就不能盡早發(fā)現(xiàn)故障狀態(tài)并加以解決。

　　不同的電機(jī)控制應(yīng)用對(duì)于動(dòng)態(tài)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(tǒng)要求。但對(duì)于更精密的電機(jī)控制應(yīng)用，16位分辨率則是更為常見的標(biāo)準(zhǔn)。利用高性能16位ADC，如MAX11044或MAX11049，系統(tǒng)可獲得高于90dB的動(dòng)態(tài)范圍。

　　Maxim提供適合各種電機(jī)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。

圖6

帶有編碼器數(shù)據(jù)接口的高精度電機(jī)控制

　　電機(jī)控制精度取決于系統(tǒng)需求。有些應(yīng)用對(duì)于精度的要求非常高，如工業(yè)機(jī)器人技術(shù)或灌裝生產(chǎn)線。例如，焊接機(jī)器人需要高速、高精度工作。同樣，灌裝生產(chǎn)線的電機(jī)必須精確控制，使瓶子能夠停留在正確的位置進(jìn)行灌裝、上蓋、貼標(biāo)簽。為了高精度地控制電機(jī)，必須確定轉(zhuǎn)子的速度、方向和位置。這些參數(shù)可以通過模擬傳感器進(jìn)行監(jiān)測，如決策器、同步器、RVDT或旋轉(zhuǎn)電位計(jì)。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/或絕對(duì)的轉(zhuǎn)軸角度信息。

　　電機(jī)控制器計(jì)算轉(zhuǎn)子的當(dāng)前速度和角度，通常由數(shù)字信號(hào)處理器(DSP)按照一定算法實(shí)現(xiàn)。它通過調(diào)整激勵(lì)獲得高效、最佳響應(yīng)。這種反饋控制環(huán)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(yuǎn)距離電纜
從編碼器傳輸?shù)娇刂破鳌?/p>

　　增量信息通常以正交信號(hào)形式傳輸至控制器，即兩個(gè)信號(hào)相位差為90°。這些信號(hào)可以是模擬形式(sine + cosine)，也可以是二進(jìn)制形式。而絕對(duì)位置信息僅以串行二進(jìn)制數(shù)據(jù)流形式通過RS-482或RS-422總線傳輸。

　　由于工作環(huán)境惡劣，需要保證數(shù)據(jù)通道高度安全、可靠。差分信號(hào)成為高EMI環(huán)境的理想選擇。由于器件靠近電機(jī)工作，因此，還需要支持高溫環(huán)境。

　　Maxim提供全面的RS-485/RS-422和PROFIBUS接口器件，專為電機(jī)控制應(yīng)用而設(shè)計(jì)。MAX14840E高速RS-485收發(fā)器等接口器件具備高度信號(hào)完整性和可靠性，滿足嚴(yán)格的安全控制需求和大型投資設(shè)備的開發(fā)周期需求。

圖7