工業(yè)電機(jī)控制系統(tǒng)方案
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圖4
高邊電流檢測放大器，如MAX4080/MAX4081，將檢流電阻放置在電源正端和被監(jiān)測電路的電源輸入之間。這種設(shè)計(jì)沒有在地通道引入外接電阻，大大簡化了布局，通常也有助于改善電路的總體性能。Maxim可提供單向和雙向電流檢測IC （內(nèi)置或外置檢流電阻），如MAX9918/MAX9919/MAX9920.器件的多樣性為設(shè)計(jì)提供極大靈活性，并簡化了各種ADC及其應(yīng)用的器件選型。
電機(jī)速度、位置及位移檢測
霍爾傳感器被廣泛用于電機(jī)速度、位置和方向的檢測。這些傳感器集成了邏輯電路，能夠?qū)?shù)據(jù)傳送到系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)反饋。傳感器還可檢測并報(bào)告任何形式的電機(jī)中斷故障，從而采取相應(yīng)措施。檢測運(yùn)動(dòng)方向通常需要兩個(gè)霍爾傳感器。
若系統(tǒng)使用的霍爾器件數(shù)量與電機(jī)相數(shù)相同，并且霍爾器件的機(jī)械結(jié)構(gòu)與電機(jī)每一相的電氣特性相關(guān)聯(lián)，換向操作可以同步到霍爾傳感器輸出邊沿。Maxim的MAX9641集成了兩路霍爾傳感器和傳感器信號調(diào)理電路，提供位置和方向輸出。
霍爾傳感器還能夠配合專用的霍爾傳感器接口產(chǎn)品使用，如MAX9621.接口器件提供多種功能：電源瞬態(tài)保護(hù)、對霍爾傳感器的吸收電流進(jìn)行檢測并濾波，以及故障診斷和保護(hù)。
與機(jī)械式光斷路器系統(tǒng)相比，霍爾傳感器有效提高了系統(tǒng)的可靠性和可重復(fù)性，而前者在灰塵和潮濕環(huán)境下無法保證可靠工作。由于霍爾傳感器檢測的是磁鐵或電流產(chǎn)生的磁場，所以能夠在這樣的惡劣環(huán)境下連續(xù)工作。
有些應(yīng)用中，振動(dòng)、灰塵和高溫會(huì)造成有源傳感器工作異常。這種情況下，可以利用無源器件檢測電機(jī)工作并通過一個(gè)接口IC把數(shù)據(jù)反饋給系統(tǒng)。也可以在極端工作條件下選擇使用可變磁阻（VR）傳感器。
VR傳感器，如MAX9924—MAX9927通過一個(gè)線圈檢測電機(jī)的速度和轉(zhuǎn)動(dòng)。當(dāng)電機(jī)上安裝的齒輪進(jìn)入磁場時(shí)，磁場的磁通量將會(huì)發(fā)生變化，從而導(dǎo)致線圈發(fā)生變化。當(dāng)齒輪靠近傳感器時(shí)，磁通量達(dá)到最大值。當(dāng)齒輪離開時(shí)，磁通量開始下降。旋轉(zhuǎn)齒輪會(huì)產(chǎn)生隨時(shí)間變化的磁通量，在線圈中感應(yīng)產(chǎn)生成比例的電壓。隨后，電子電路對該信號進(jìn)行處理，獲得一個(gè)更容易計(jì)數(shù)和定時(shí)的數(shù)字波形。集成VR傳感器接口方案相對于其它方案具有很多優(yōu)勢，其中包括：提高抗干擾能力、提供準(zhǔn)確的相位信息。
圖5
多通道電流、電壓的監(jiān)測與控制
監(jiān)測、控制電機(jī)時(shí)，需要測量多個(gè)電流和電壓信號，并需要保持通道間相位信息的完整性。有兩種ADC架構(gòu)供設(shè)計(jì)人員選擇：使用多個(gè)單通道ADC，這種設(shè)計(jì)很難實(shí)現(xiàn)同步轉(zhuǎn)換時(shí)序；或者使用同步采樣ADC.同步采樣架構(gòu)可以是單芯片封裝多路ADC，所有通道采用同一轉(zhuǎn)換觸發(fā)器；也可以在模擬輸入端使用多路采樣/保持放大器（也稱為跟蹤/保持放大器）。使用多路采樣/保持放大器時(shí)，多路模擬輸入和單通道ADC之間仍需使用多路復(fù)用器。同步采樣設(shè)計(jì)無需復(fù)雜的數(shù)字信號處理算法。
電機(jī)控制應(yīng)用大多采用100ksps或更高的采樣速率。ADC以這樣的速率連續(xù)監(jiān)測電機(jī)的工作狀況，提供任何故障或潛在險(xiǎn)情的報(bào)警指示。一旦發(fā)現(xiàn)故障征兆，系統(tǒng)即可進(jìn)行修復(fù)或在必要時(shí)關(guān)斷系統(tǒng)。如果ADC的采樣率不夠快，就不能盡早發(fā)現(xiàn)故障狀態(tài)并加以解決。
不同的電機(jī)控制應(yīng)用對于動(dòng)態(tài)測量范圍的要求不同。有些情況下，12位分辨率即可滿足系統(tǒng)要求。但對于更精密的電機(jī)控制應(yīng)用，16位分辨率則是更為常見的標(biāo)準(zhǔn)。利用高性能16位ADC，如MAX11044或MAX11049，系統(tǒng)可獲得高于90dB的動(dòng)態(tài)范圍。
Maxim提供適合各種電機(jī)控制的同步采樣ADC.包括帶有串口或并口的12/14/16位分辨率等不同類型的器件。
圖6
帶有編碼器數(shù)據(jù)接口的高精度電機(jī)控制
電機(jī)控制精度取決于系統(tǒng)需求。有些應(yīng)用對于精度的要求非常高，如工業(yè)機(jī)器人技術(shù)或灌裝生產(chǎn)線。例如，焊接機(jī)器人需要高速、高精度工作。同樣，灌裝生產(chǎn)線的電機(jī)必須精確控制，使瓶子能夠停留在正確的位置進(jìn)行灌裝、上蓋、貼標(biāo)簽。為了高精度地控制電機(jī)，必須確定轉(zhuǎn)子的速度、方向和位置。這些參數(shù)可以通過模擬傳感器進(jìn)行監(jiān)測，如決策器、同步器、RVDT或旋轉(zhuǎn)電位計(jì)。采用類似于光編碼器和霍爾傳感器的編碼器可以獲得較高精度。編碼器為控制器提供增量和/或絕對的轉(zhuǎn)軸角度信息。
電機(jī)控制器計(jì)算轉(zhuǎn)子的當(dāng)前速度和角度，通常由數(shù)字信號處理器（DSP）按照一定算法實(shí)現(xiàn)。它通過調(diào)整激勵(lì)獲得高效、最佳響應(yīng)。這種反饋控制環(huán)路需要傳感器安全、可靠的信息支持，這種信息通常需要通過遠(yuǎn)距離電纜從編碼器傳輸?shù)娇刂破鳌?BR>
增量信息通常以正交信號形式傳輸至控制器，即兩個(gè)信號相位差為90°。這些信號可以是模擬形式（sine + cosine），也可以是二進(jìn)制形式。而絕對位置信息僅以串行二進(jìn)制數(shù)據(jù)流形式通過RS-482或RS-422總線傳輸。
由于工作環(huán)境惡劣，需要保證數(shù)據(jù)通道高度安全、可靠。差分信號成為高EMI環(huán)境的理想選擇。由于器件靠近電機(jī)工作，因此，還需要支持高溫環(huán)境。
Maxim提供全面的RS-485/RS-422和PROFIBUS接口器件，專為電機(jī)控制應(yīng)用而設(shè)計(jì)。MAX14840E高速RS-485收發(fā)器等接口器件具備高度信號完整性和可靠性，滿足嚴(yán)格的安全控制需求和大型投資設(shè)備的開發(fā)周期需求。
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