適用于工業(yè)運動(dòng)控制的測量技術(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。

　　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。

　　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(如www.analog.com/icoupler上ADI公司的產(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。

　　電流和電壓檢測的測量技術(shù)與拓撲

　　除上文所述的系統功率和接地劃分外，為檢測電流和電壓而實(shí)現的信號鏈還會(huì )因傳感器選擇、電流隔離要求、ADC選擇以及系統集成的不同而有所差異。為實(shí)現高保真測量而進(jìn)行的信號調理并非易事。例如，在如此嘈雜的環(huán)境中恢復小信號或傳送數字信號就非常具有挑戰性，而隔離模擬信號則是更大的挑戰。在許多情況下，信號隔離電路會(huì )引起相位延遲使得系統動(dòng)態(tài)性能受限的。相位電流檢測尤其困難，因為該節點(diǎn)連接的電路節點(diǎn)與功率級(逆變器模塊)核心中的柵極驅動(dòng)器輸出的節點(diǎn)相同，因此在隔離電源和開(kāi)關(guān)瞬變方面的需求也相同。通常根據以下三個(gè)關(guān)鍵因素來(lái)確定需在電機控制系統中實(shí)施的測量信號鏈(技術(shù)、信號調理和ADC)：

　　1. 決定測量需求的系統中的點(diǎn)或節點(diǎn)。

　　2. 電機功率水平以及最終選擇的傳感器(本身是否具有隔離功能)。傳感器選擇在很大程度上影響著(zhù)ADC的選擇，包括轉換器架構、功能以及模擬輸入范圍。

　　3 終端應用。這可推動(dòng)檢測信號鏈中對高分辨率、精度或速度的需要。例如，在較大的速度范圍內實(shí)現不帶傳感器的控制要求進(jìn)行更多、更頻繁、更精確的測量。終端應用還會(huì )影響對ADC功能的要求。例如，多軸控制可能需要通道數更高的ADC。

　　電流和電壓傳感器

　　電機控制中最常用的電流傳感器為分流電阻、霍爾效應(HE)傳感器以及電流互感器(CT)。雖然分流電阻具有隔離功能且會(huì )在電流較高時(shí)出現損耗，但是它們是所有傳感器中最具線(xiàn)性、成本最低且適用于交流和直流測量的傳感器。為限制分流功率損耗的信號電平衰減通常將分流應用限制為50 A或更低。CT傳感器和HE傳感器可提供固有的隔離，因此能夠用于電流較高的系統。但是它們的成本更高，并且采用此類(lèi)傳感器的解決方案在精度上不及采用分流電阻的解決方案，這是由于此類(lèi)傳感器本身的初始精度較差或者在溫度方面的精度較差。

　　除傳感器類(lèi)型外，還有許多可選的電機電流測量節點(diǎn)。平均直流鏈路電流即可滿(mǎn)足控制需求，但是在更高級的驅動(dòng)器中，電機繞組電流用作主反饋變量。直接相位繞組電流測量是理想的選擇，可用于高性能系統。然而，在每個(gè)低位逆變器引腳上使用分流器或在直流鏈路中使用單個(gè)分流器可以間接測量繞組電流。這些方法的優(yōu)勢在于，分流信號全都以共用電源為基準，但是從直流鏈路提取繞組電流要求采樣與PWM開(kāi)關(guān)同步。采用以上任何一種電流檢測技術(shù)均可進(jìn)行直接相位繞組電流測量，但是必須隔離分流電阻信號。高共模放大器可提供功能隔離，但是人員安全隔離必須由隔離式放大器或隔離式調制器提供。

　　圖4展示了上述各類(lèi)電流反饋選擇。雖然只需選擇其中一種即可進(jìn)行控制反饋，但還可將直流鏈路電流信號用作備份信號以進(jìn)行保護。

　　如前所述，系統功率和接地劃分將決定需要的隔離分類(lèi)，并從而判斷出適用的反饋。系統的目標性能還會(huì )影響傳感器選擇或測量技術(shù)?？v觀(guān)整個(gè)性能圖譜，還可實(shí)現許多配置。

　　低性能示例：共用電位上的功率級和控制級，檢測選項A或B

　　使用引腳分流是一種最經(jīng)濟實(shí)惠的電機電流測量技術(shù)。在本例中，功率級與控制級共享同一電位，不存在要處理的共模，并且選項A或選項B的輸出可直接連接至信號調理電路及ADC.此類(lèi)拓撲常見(jiàn)于微處理器中嵌有ADC的低功耗和低性能系統。

　　高性能示例：控制級接地，檢測選項C、D或E

　　在本例中，需要進(jìn)行人員安全隔離。檢測選項C、D和E均有可能。在所有三個(gè)選項中，選項E提供最優(yōu)質(zhì)的電流反饋，并且作為高性能系統，系統中可能存在FPGA或其他形式的處理，可提供適用于隔離調制器信號的數字濾波器。對于選項C的ADC選擇，通常采用分立式隔離傳感器(很可能是閉環(huán)HE)，以實(shí)現比使用當前嵌入式ADC產(chǎn)品更高的性能。與共模放大器相比，該配置中的選項D為隔離式放大器，因為需要進(jìn)行安全隔離。隔離式放大器會(huì )使性能受限，因此嵌入式ADC解決方案便可滿(mǎn)足需要。與選項C或E相比，該選項可提供保真度最低的電流反饋。此外，雖然可將嵌入式ADC視為“免費”,將隔離式放大器視為“廉價(jià)”,但實(shí)施時(shí)通常還需要額外的組件進(jìn)行偏移補償和電平轉換，以進(jìn)行ADC輸入范圍匹配，從而提高了信號鏈的總體成本。

　　在電機控制設計中，可采用許多拓撲檢測電機電流，并需考慮多種因素，例如成本、功率水平以及性能水平。大多數系統設計人員的重要目標是改善電流檢測反饋，以在其成本目標范圍內提高效率。對于較高端的應用，電流反饋不僅對于效率，而且對于其他系統性能測量(如動(dòng)態(tài)響應、噪聲或轉矩波動(dòng))也至關(guān)重要。很顯然，在各種可用的拓撲中，存在性能由低到高的連續體，圖5為粗略映射圖，展示了低功率和高功率選項。

　　電機控制系統設計人員目標、需求以及發(fā)展趨勢：從HE傳感器轉換至分流電阻

與隔離式∑-Δ調制器耦合的分流電阻可提供最優(yōu)質(zhì)的電流反饋，其中，電流電平足夠低，完全可滿(mǎn)足分流需求。目前，系統設計人員的明顯傾向于從HE傳感器轉換至分流電阻，并且與隔離式放大器方案相比，設計人員還傾向于采用隔離式調制器方案。僅僅更換傳感器本身就可降低物料清單(BOM)和PCB裝配成本并提高傳感器的精度。分流電