工業(yè)運動(dòng)控制中的測量技術(shù)

工業(yè)運動(dòng)控制涵蓋一系列應用，包括基于逆變器的風(fēng)扇或泵控制、具有更為復雜的交流驅動(dòng)控制的工廠(chǎng)自動(dòng)化以及高級自動(dòng)化應用(如具有高級伺服控制的機器人)。這些系統需要檢測和反饋多個(gè)變量，例如電機繞組電流或電壓、直流鏈路電流或電壓、轉子位置和速度。在諸如增值功能(如狀態(tài)監控)等考慮因素中，終端應用需求、系統架構、目標系統成本或系統復雜度將決定變量的選擇和所需的測量精度。據報道，電機占全球總能耗的40%，國際法規越來(lái)越注重整個(gè)工業(yè)運動(dòng)應用的系統效率，因此，這些變量越來(lái)越重要，特別是電流和電壓。

本文將根據電機額定功率、系統性能要求以及終端應用，重點(diǎn)討論各種電機控制信號鏈拓撲中的電流與電壓檢測。在此情況下，電機控制信號鏈的實(shí)現會(huì )因傳感器選擇、電流隔離要求、模數轉換器(ADC)選擇、系統集成以及系統功耗和接地劃分的不同而有所差異。

圖1.工業(yè)驅動(dòng)應用圖譜

工業(yè)驅動(dòng)器應用圖譜

從簡(jiǎn)單的逆變器到復雜的伺服驅動(dòng)器，電機控制應用涵蓋一系列電機類(lèi)型，但所有電機均包含特定功率級的電機控制系統，以及具有不同級別的檢測和反饋，可驅動(dòng)脈沖寬度調制器(PWM)模塊的處理器。圖1為應用圖譜的簡(jiǎn)化圖，展示了復雜度從左至右逐步提高的各種系統，首先是簡(jiǎn)單的控制系統，如無(wú)需精密反饋僅使用簡(jiǎn)單微處理器即可實(shí)現的泵、風(fēng)扇和壓縮機。隨著(zhù)系統復雜度的提高(即移向圖譜的較高端)，復雜控制系統要求精確反饋和高速通信接口。例如帶傳感器或不帶傳感器的矢量控制感應電機或永磁電機，以及針對圖1中所示效率而設計的高功率工業(yè)驅動(dòng)器(如大型泵、風(fēng)扇和壓縮機)。圖譜的最高端為復雜的伺服驅動(dòng)器，用于機器人、機床以及貼片機器等應用。隨著(zhù)系統復雜度的提高，變量的檢測和反饋變得越來(lái)越關(guān)鍵。

驅動(dòng)器架構系統劃分

我們在設計滿(mǎn)足各種工業(yè)運動(dòng)控制應用需求的系統時(shí)可能會(huì )遇到各種問(wèn)題。通用電機控制信號鏈如圖2所示。

圖2.通用電機控制信號鏈

隔離要求非常重要，通常對產(chǎn)生的電路拓撲和架構具有顯著(zhù)影響。需要考慮兩個(gè)關(guān)鍵因素：隔離的原因和位置。

隔離分類(lèi)的要求取決于前者?？赡芤蟾邏喊踩綦x(SELV)以防電擊，或功能隔離以便在非致命電壓之間進(jìn)行電平轉換，或為實(shí)現數據完整性并消除噪音而要求進(jìn)行隔離。隔離位置通常由系統的預期性能決定。電機控制通常是在充滿(mǎn)電噪聲的惡劣環(huán)境中進(jìn)行，采用的設計通常需承受數百伏的共模電壓，可能會(huì )在超過(guò)20 kHz的頻率下切換，并具有極高的瞬態(tài)dv/dt上升時(shí)間。為此，性能較高的系統和固有噪聲較高的大功率系統通常會(huì )設計為具有與控制級相隔離的功率級。無(wú)論是采用單處理器還是雙處理器設計都會(huì )影響隔離位置。在性能較低的低功耗系統中，通常是在數字通信接口上進(jìn)行隔離，這意味著(zhù)功率級和控制級處于同一電位。低端系統需隔離的通信接口帶寬較低。由于高端系統要求具有較高帶寬，且傳統隔離技術(shù)具有局限性，因此，隔離高端系統的通信端口通常會(huì )比較困難。但是隨著(zhù)磁性隔離的CAN和RS-485收發(fā)器產(chǎn)品的問(wèn)世，情況正在發(fā)生變化。

在高性能閉環(huán)電機控制設計中，兩個(gè)關(guān)鍵的元件構成為PWM調制器輸出和電機相位電流反饋。圖3a和圖3b展示了需要進(jìn)行安全隔離的位置，具體位置取決于控制級是與功率級共享相同的電位還是以接地為基準。無(wú)論何種情況，高端柵極驅動(dòng)器和電流檢測節點(diǎn)都需要隔離，但是圖3a中的隔離等級不同，這些節點(diǎn)只需進(jìn)行功能隔離，而在圖3b中，這些節點(diǎn)的人員安全隔離(即電流隔離)至關(guān)重要。

圖3a.以功率級為基準的控制級

圖3b.以接地為基準的控制級