工业电机控制系统方案

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这篇工业电机控制概述着重介绍了直流电机、无刷直流电机、交流感应电机的差异及其子系统，深入分析了电流监测与测量、温度检测子系统、电机速度、位置、位移检测系统、多通道电流和电压监测与控制以及带有编码器数据接口的高精度电机控制子系统。
       
        电机消耗的能量几乎占全球电力的50%.随着能源成本的持续上涨，业内开始采用微处理器调速驱动器替代效率低下的固定速率电机和驱动器，这种新型电机控制技术与传统驱动器相比，能够使能耗平均降低30%以上。虽然调速电机提高了系统本身的成本，但是，考虑到电机能够节省的能量以及所增加的功能，只需短短几年即可挽回最初的投资成本。
       
       
        图1
       
        通用电机设计
       
        直流电机、无刷直流和交流感应电机是当今工业应用设计中最常见的电机。尽管每种类型的电机都有独特的性能，但基本工作原理类似。当一个导体通电时，例如线圈绕组，如果导体处于一个与其垂直的外部磁场内，导体将会受到一个与自身和外部磁场垂直的力。
       
        直流电机：低成本和高精度驱动性能
       
        直流电机是最先投入使用的电机类型，目前仍然以低开发成本和卓越的驱动性能得到普遍应用。在最简单的直流电机中，定子（即电机固定部件）为永久磁铁，转子（即电机的转动部件）上缠绕了电枢绕组，电枢绕组连接到机械换向开关，该开关控制绕组电流的导通和关闭。磁铁建立的磁通量与电枢电流相互作用，产生电磁扭矩，从而使电机做功。电机速度通过调整电枢绕组的直流电压进行控制。
       
        根据具体应用的不同，可以采用全桥、半桥或一个简单的降压转换器驱动电枢绕组。这些转换器的开关通过脉宽调制（PWM）获得相应的电压。Maxim的高边或桥式驱动器IC，例如：MAX15024/MAX15025，可以用来驱动全桥或半桥电路的FET.
       
        直流电机还广泛用于对速度、精度要求很高的伺服系统。为了满足速度和精度的要求，基于微处理器的闭环控制和转子位置非常关键。Maxim的MAX9641霍尔传感器能够用于提供转子的位置信息。
       
       
        图2工业电机控制系统典型电路框图。
       
        交流感应电机：简单、坚固耐用
       
        交流感应电机以简单、坚固耐用而著称，被广泛用于工业领域。最简单的交流电机就是一个变压器，原级电压连接到交流电压源，次级短路承载感应电流。“感应”电机的名称源于“感应次级电流”。定子载有一个三相绕组，转子设计简单，通常被称为“鼠笼”，其中，两端的铜或铝棒通过铸铝环短路。由于没有转子绕组和碳刷，这种电机的设计非常可靠。
       
       
        图3感应电机的转子和定子
       
        工作在60Hz电压时，感应电机恒速运转。然而，当采用电源电路和基于微处理器的系统时，可以控制电机速度变化。变速驱动器由逆变器、信号调理器和基于微处理器的控制器组成。逆变器采用三个半桥，顶部和底部切换以互补方式控制。Maxim提供多种半桥驱动器，如MAX15024/MAX15025，可独立控制顶部和底部FET.
       
        精确测量三相电机电流、转子位置及转速是对感应电机进行高效闭环控制的必要条件。Maxim提供多款高边和低边电流放大器、霍尔传感器以及同步采样模/数转换器（ADC），能够在恶劣环境下精确测量这些参数。
       
        微处理器利用电流和位置数据产生三相桥路的逻辑信号。一种常见的闭环控制技术称为矢量控制，它消除了磁场电流矢量和定子磁通量之间的耦合，从而能够独立控制，提供更快的瞬态响应。
       
        无刷直流电机：高可靠性和高输出功率
       
        无刷直流（BLDC）电机既没有换向器也没有碳刷，相对于直流电机而言需要更少的维护。相对于感应电机或直流电机而言，同等规格的无刷直流电机能提供更大的输出功率。
       
        BLDC电机的定子与感应电机的定子非常相似。但是，BLDC电机的转子可以采用不同形式，当然，都属于永久磁铁。气隙磁通量由磁铁固定，不受转子电流的影响。BLDC电机还需要一定形式的转子位置检测。通常利用定子中嵌入的霍尔器件检测转子位置。当转子的磁极经过霍尔传感器附近时，会有一个信号指示通过的是北极还是南极。Maxim提供多款霍尔传感器，如MAX9641，这些器件集成了两个霍尔传感器和数字逻辑电路，可提供磁场位置、方向输出，从而简化设计并降低系统成本。
       
        传感器、信号转换和数据接口的重要性
       
        在电机控制环路中，有几种类型的传感器提供反馈信息。这些传感器还用于检测可能损坏系统的故障状态，从而提高系统可靠性。以下章节详细介绍了传感器在电机控制中的作用，特别是电流检测放大器、霍尔传感器和可变磁阻（VR）传感器。其它内容包括：利用高速模/数转换器（ADC）监测、控制多通道电流和电压，高精度电机控制所需的编码器数据接口等。
       
        检测并监控电流优化电机控制
       
        电流监测
       
        电流是用于检测、监测并反馈给电机控制环路的常见信号。利用电流检测放大器可以轻松地精确监测系统流入、流出的电流。采用电流检测放大器可以省去传感器，因为需要测量的是电信号本身。电流检测放大器能够检测短路和瞬态状况，并监测电源和电池反接故障。
       
        电流测量
       
        电流测量有很多渠道，但截至目前为止，最常见的方案是采用检流电阻进行测量。这种方法的基本原理是：利用基于运放的差分放大器对检流电阻两端的电压进行放大，然后测量放大后的电压信号。传统设计中通常采用分立器件。但分立方案存在一些缺点，例如：需要匹配电阻、具有较差的温漂特性，并占用较大面积。幸运的是，这些缺点可以通过在设计中使用集成电流检测放大器得以解决。放大器不仅测量电流，还可以检测电流方向，具有较宽的共模范围，能够提供高精度测量。
       
        电流测量可以采用低边检测（检测电阻与接地通路串联），也可以采用高边检测（检测电阻与火线串联）。低边检测中，电路的输入共模电压较低，输出电压以地为参考，但低边电阻在接地通路增加了所不希望的外部电阻。高边检测中，负载接地，但高边电阻必须承受相当大的共模信号。高边检测能够对故障状态进行监测，例如，电机外壳或绕组对地短路。
       
       
        图4
       
        高边电流检测放大器，如MAX4080/MAX4081，将检流电阻放置在电源正端和被监测电路的电源输入之间。这种设计没有在地通道引入外接电阻，大大简化了布局，通常也有助于改善电路的总体性能。Maxim可提供单向和双向电流检测IC （内置或外置检流电阻），如MAX9918/MAX9919/MAX9920.器件的多样性为设计提供极大灵活性，并简化了各种ADC及其应用的器件选型。
       
        电机速度、位置及位移检测
       
        霍尔传感器被广泛用于电机速度、位置和方向的检测。这些传感器集成了逻辑电路，能够将数据传送到系统进行实时反馈。传感器还可检测并报告任何形式的电机中断故障，从而采取相应措施。检测运动方向通常需要两个霍尔传感器。
       
        若系统使用的霍尔器件数量与电机相数相同，并且霍尔器件的机械结构与电机每一相的电气特性相关联，换向操作可以同步到霍尔传感器输出边沿。Maxim的MAX9641集成了两路霍尔传感器和传感器信号调理电路，提供位置和方向输出。
       
        霍尔传感器还能够配合专用的霍尔传感器接口产品使用，如MAX9621.接口器件提供多种功能：电源瞬态保护、对霍尔传感器的吸收电流进行检测并滤波，以及故障诊断和保护。
       
        与机械式光断路器系统相比，霍尔传感器有效提高了系统的可靠性和可重复性，而前者在灰尘和潮湿环境下无法保证可靠工作。由于霍尔传感器检测的是磁铁或电流产生的磁场，所以能够在这样的恶劣环境下连续工作。
       
        有些应用中，振动、灰尘和高温会造成有源传感器工作异常。这种情况下，可以利用无源器件检测电机工作并通过一个接口IC把数据反馈给系统。也可以在极端工作条件下选择使用可变磁阻（VR）传感器。
       
        VR传感器，如MAX9924—MAX9927通过一个线圈检测电机的速度和转动。当电机上安装的齿轮进入磁场时，磁场的磁通量将会发生变化，从而导致线圈发生变化。当齿轮靠近传感器时，磁通量达到最大值。当齿轮离开时，磁通量开始下降。旋转齿轮会产生随时间变化的磁通量，在线圈中感应产生成比例的电压。随后，电子电路对该信号进行处理，获得一个更容易计数和定时的数字波形。集成VR传感器接口方案相对于其它方案具有很多优势，其中包括：提高抗干扰能力、提供准确的相位信息。
       
       
        图5
       
        多通道电流、电压的监测与控制
       
        监测、控制电机时，需要测量多个电流和电压信号，并需要保持通道间相位信息的完整性。有两种ADC架构供设计人员选择：使用多个单通道ADC，这种设计很难实现同步转换时序；或者使用同步采样ADC.同步采样架构可以是单芯片封装多路ADC，所有通道采用同一转换触发器；也可以在模拟输入端使用多路采样/保持放大器（也称为跟踪/保持放大器）。使用多路采样/保持放大器时，多路模拟输入和单通道ADC之间仍需使用多路复用器。同步采样设计无需复杂的数字信号处理算法。
       
        电机控制应用大多采用100ksps或更高的采样速率。ADC以这样的速率连续监测电机的工作状况，提供任何故障或潜在险情的报警指示。一旦发现故障征兆，系统即可进行修复或在必要时关断系统。如果ADC的采样率不够快，就不能尽早发现故障状态并加以解决。
       
        不同的电机控制应用对于动态测量范围的要求不同。有些情况下，12位分辨率即可满足系统要求。但对于更精密的电机控制应用，16位分辨率则是更为常见的标准。利用高性能16位ADC，如MAX11044或MAX11049，系统可获得高于90dB的动态范围。
       
        Maxim提供适合各种电机控制的同步采样ADC.包括带有串口或并口的12/14/16位分辨率等不同类型的器件。
       
       
        图6
       
        带有编码器数据接口的高精度电机控制
       
        电机控制精度取决于系统需求。有些应用对于精度的要求非常高，如工业机器人技术或灌装生产线。例如，焊接机器人需要高速、高精度工作。同样，灌装生产线的电机必须精确控制，使瓶子能够停留在正确的位置进行灌装、上盖、贴标签。为了高精度地控制电机，必须确定转子的速度、方向和位置。这些参数可以通过模拟传感器进行监测，如决策器、同步器、RVDT或旋转电位计。采用类似于光编码器和霍尔传感器的编码器可以获得较高精度。编码器为控制器提供增量和/或绝对的转轴角度信息。
       
        电机控制器计算转子的当前速度和角度，通常由数字信号处理器（DSP）按照一定算法实现。它通过调整激励获得高效、最佳响应。这种反馈控制环路需要传感器安全、可靠的信息支持，这种信息通常需要通过远距离电缆从编码器传输到控制器。
       
        增量信息通常以正交信号形式传输至控制器，即两个信号相位差为90°。这些信号可以是模拟形式（sine + cosine），也可以是二进制形式。而绝对位置信息仅以串行二进制数据流形式通过RS-482或RS-422总线传输。
       
        由于工作环境恶劣，需要保证数据通道高度安全、可靠。差分信号成为高EMI环境的理想选择。由于器件靠近电机工作，因此，还需要支持高温环境。
       
        Maxim提供全面的RS-485/RS-422和PROFIBUS接口器件，专为电机控制应用而设计。MAX14840E高速RS-485收发器等接口器件具备高度信号完整性和可靠性，满足严格的安全控制需求和大型投资设备的开发周期需求。