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工業(yè)運動(dòng)控制中的測量技術(shù)

作者: 時(shí)間:2016-10-18 來(lái)源:網(wǎng)絡(luò ) 收藏

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)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。

本文引用地址:http://dyxdggzs.com/article/201610/308960.htm

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



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