工業(yè)電機控制系統方案

這篇工業(yè)電機控制概述著(zhù)重介紹了直流電機、無(wú)刷直流電機、交流感應電機的差異及其子系統，深入分析了電流監測與測量、溫度檢測子系統、電機速度、位置、位移檢測系統、多通道電流和電壓監測與控制以及帶有編碼器數據接口的高精度電機控制子系統。

電機消耗的能量幾乎占全球電力的50%.隨著(zhù)能源成本的持續上漲，業(yè)內開(kāi)始采用微處理器調速驅動(dòng)器替代效率低下的固定速率電機和驅動(dòng)器，這種新型電機控制技術(shù)與傳統驅動(dòng)器相比，能夠使能耗平均降低30%以上。雖然調速電機提高了系統本身的成本，但是，考慮到電機能夠節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。


圖1

通用電機設計

直流電機、無(wú)刷直流和交流感應電機是當今工業(yè)應用設計中最常見(jiàn)的電機。盡管每種類(lèi)型的電機都有獨特的性能，但基本工作原理類(lèi)似。當一個(gè)導體通電時(shí)，例如線(xiàn)圈繞組，如果導體處于一個(gè)與其垂直的外部磁場(chǎng)內，導體將會(huì )受到一個(gè)與自身和外部磁場(chǎng)垂直的力。

直流電機：低成本和高精度驅動(dòng)性能

直流電機是最先投入使用的電機類(lèi)型，目前仍然以低開(kāi)發(fā)成本和卓越的驅動(dòng)性能得到普遍應用。在最簡(jiǎn)單的直流電機中，定子（即電機固定部件）為永久磁鐵，轉子（即電機的轉動(dòng)部件）上纏繞了電樞繞組，電樞繞組連接到機械換向開(kāi)關(guān)，該開(kāi)關(guān)控制繞組電流的導通和關(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，從而使電機做功。電機速度通過(guò)調整電樞繞組的直流電壓進(jìn)行控制。

根據具體應用的不同，可以采用全橋、半橋或一個(gè)簡(jiǎn)單的降壓轉換器驅動(dòng)電樞繞組。這些轉換器的開(kāi)關(guān)通過(guò)脈寬調制（PWM）獲得相應的電壓。Maxim的高邊或橋式驅動(dòng)器IC，例如：MAX15024/MAX15025，可以用來(lái)驅動(dòng)全橋或半橋電路的FET.

直流電機還廣泛用于對速度、精度要求很高的伺服系統。為了滿(mǎn)足速度和精度的要求，基于微處理器的閉環(huán)控制和轉子位置非常關(guān)鍵。Maxim的MAX9641霍爾傳感器能夠用于提供轉子的位置信息。


圖2工業(yè)電機控制系統典型電路框圖。

交流感應電機：簡(jiǎn)單、堅固耐用

交流感應電機以簡(jiǎn)單、堅固耐用而著(zhù)稱(chēng)，被廣泛用于工業(yè)領(lǐng)域。最簡(jiǎn)單的交流電機就是一個(gè)變壓器，原級電壓連接到交流電壓源，次級短路承載感應電流?！案袘彪姍C的名稱(chēng)源于“感應次級電流”。定子載有一個(gè)三相繞組，轉子設計簡(jiǎn)單，通常被稱(chēng)為“鼠籠”，其中，兩端的銅或鋁棒通過(guò)鑄鋁環(huán)短路。由于沒(méi)有轉子繞組和碳刷，這種電機的設計非?？煽?。


圖3感應電機的轉子和定子

工作在60Hz電壓時(shí)，感應電機恒速運轉。然而，當采用電源電路和基于微處理器的系統時(shí)，可以控制電機速度變化。變速驅動(dòng)器由逆變器、信號調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方式控制。Maxim提供多種半橋驅動(dòng)器，如MAX15024/MAX15025，可獨立控制頂部和底部FET.

精確測量三相電機電流、轉子位置及轉速是對感應電機進(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/數轉換器（ADC），能夠在惡劣環(huán)境下精確測量這些參數。

微處理器利用電流和位置數據產(chǎn)生三相橋路的邏輯信號。一種常見(jiàn)的閉環(huán)控制技術(shù)稱(chēng)為矢量控制，它消除了磁場(chǎng)電流矢量和定子磁通量之間的耦合，從而能夠獨立控制，提供更快的瞬態(tài)響應。

無(wú)刷直流電機：高可靠性和高輸出功率

無(wú)刷直流（BLDC）電機既沒(méi)有換向器也沒(méi)有碳刷，相對于直流電機而言需要更少的維護。相對于感應電機或直流電機而言，同等規格的無(wú)刷直流電機能提供更大的輸出功率。

BLDC電機的定子與感應電機的定子非常相似。但是，BLDC電機的轉子可以采用不同形式，當然，都屬于永久磁鐵。氣隙磁通量由磁鐵固定，不受轉子電流的影響。BLDC電機還需要一定形式的轉子位置檢測。通常利用定子中嵌入的霍爾器件檢測轉子位置。當轉子的磁極經(jīng)過(guò)霍爾傳感器附近時(shí)，會(huì )有一個(gè)信號指示通過(guò)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)霍爾傳感器和數字邏輯電路，可提供磁場(chǎng)位置、方向輸出，從而簡(jiǎn)化設計并降低系統成本。

傳感器、信號轉換和數據接口的重要性

在電機控制環(huán)路中，有幾種類(lèi)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的故障狀態(tài)，從而提高系統可靠性。以下章節詳細介紹了傳感器在電機控制中的作用，特別是電流檢測放大器、霍爾傳感器和可變磁阻（VR）傳感器。其它內容包括：利用高速模/數轉換器（ADC）監測、控制多通道電流和電壓，高精度電機控制所需的編碼器數據接口等。

檢測并監控電流優(yōu)化電機控制

電流監測

電流是用于檢測、監測并反饋給電機控制環(huán)路的常見(jiàn)信號。利用電流檢測放大器可以輕松地精確監測系統流入、流出的電流。采用電流檢測放大器可以省去傳感器，因為需要測量的是電信號本身。電流檢測放大器能夠檢測短路和瞬態(tài)狀況，并監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(jiàn)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：利用基于運放的差分放大器對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。傳統設計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。幸運的是，這些缺點(diǎn)可以通過(guò)在設計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(xiàn)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，負載接地，但高邊電阻必須承受相當大的共模信號。高邊檢測能夠對故障狀態(tài)進(jìn)行監測，例如，電機外殼或繞組對地短路。