工业电机控制系统方案

图4
高边电流检测放大器,如MAX4080/MAX4081,将检流电阻放置在电源正端和被监测电路的电源输入之间。这种设计没有在地通道引入外接电阻,大大简化了布局,通常也有助于改善电路的总体性能。Maxim可提供单向和双向电流检测IC (内置或外置检流电阻),如MAX9918/MAX9919/MAX9920.器件的多样性为设计提供极大灵活性,并简化了各种ADC及其应用的器件选型。
电机速度、位置及位移检测
霍尔传感器被广泛用于电机速度、位置和方向的检测。这些传感器集成了逻辑电路,能够将数据传送到系统进行实时反馈。传感器还可检测并报告任何形式的电机中断故障,从而采取相应措施。检测运动方向通常需要两个霍尔传感器。
若系统使用的霍尔器件数量与电机相数相同,并且霍尔器件的机械结构与电机每一相的电气特性相关联,换向操作可以同步到霍尔传感器输出边沿。Maxim的MAX9641集成了两路霍尔传感器和传感器信号调理电路,提供位置和方向输出。
霍尔传感器还能够配合专用的霍尔传感器接口产品使用,如MAX9621.接口器件提供多种功能:电源瞬态保护、对霍尔传感器的吸收电流进行检测并滤波,以及故障诊断和保护。
与机械式光断路器系统相比,霍尔传感器有效提高了系统的可靠性和可重复性,而前者在灰尘和潮湿环境下无法保证可靠工作。由于霍尔传感器检测的是磁铁或电流产生的磁场,所以能够在这样的恶劣环境下连续工作。
有些应用中,振动、灰尘和高温会造成有源传感器工作异常。这种情况下,可以利用无源器件检测电机工作并通过一个接口IC把数据反馈给系统。也可以在极端工作条件下选择使用可变磁阻(VR)传感器。
VR传感器,如MAX9924—MAX9927通过一个线圈检测电机的速度和转动。当电机上安装的齿轮进入磁场时,磁场的磁通量将会发生变化,从而导致线圈发生变化。当齿轮靠近传感器时,磁通量达到最大值。当齿轮离开时,磁通量开始下降。旋转齿轮会产生随时间变化的磁通量,在线圈中感应产生成比例的电压。随后,电子电路对该信号进行处理,获得一个更容易计数和定时的数字波形。集成VR传感器接口方案相对于其它方案具有很多优势,其中包括:提高抗干扰能力、提供准确的相位信息。

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多通道电流、电压的监测与控制
监测、控制电机时,需要测量多个电流和电压信号,并需要保持通道间相位信息的完整性。有两种ADC架构供设计人员选择:使用多个单通道ADC,这种设计很难实现同步转换时序;或者使用同步采样ADC.同步采样架构可以是单芯片封装多路ADC,所有通道采用同一转换触发器;也可以在模拟输入端使用多路采样/保持放大器(也称为跟踪/保持放大器)。使用多路采样/保持放大器时,多路模拟输入和单通道ADC之间仍需使用多路复用器。同步采样设计无需复杂的数字信号处理算法。
电机控制应用大多采用100ksps或更高的采样速率。ADC以这样的速率连续监测电机的工作状况,提供任何故障或潜在险情的报警指示。一旦发现故障征兆,系统即可进行修复或在必要时关断系统。如果ADC的采样率不够快,就不能尽早发现故障状态并加以解决。
不同的电机控制应用对于动态测量范围的要求不同。有些情况下,12位分辨率即可满足系统要求。但对于更精密的电机控制应用,16位分辨率则是更为常见的标准。利用高性能16位ADC,如MAX11044或MAX11049,系统可获得高于90dB的动态范围。
Maxim提供适合各种电机控制的同步采样ADC.包括带有串口或并口的12/14/16位分辨率等不同类型的器件。
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带有编码器数据接口的高精度电机控制
电机控制精度取决于系统需求。有些应用对于精度的要求非常高,如工业机器人技术或灌装生产线。例如,焊接机器人需要高速、高精度工作。同样,灌装生产线的电机必须精确控制,使瓶子能够停留在正确的位置进行灌装、上盖、贴标签。为了高精度地控制电机,必须确定转子的速度、方向和位置。这些参数可以通过模拟传感器进行监测,如决策器、同步器、RVDT或旋转电位计。采用类似于光编码器和霍尔传感器的编码器可以获得较高精度。编码器为控制器提供增量和/或绝对的转轴角度信息。
电机控制器计算转子的当前速度和角度,通常由数字信号处理器(DSP)按照一定算法实现。它通过调整激励获得高效、最佳响应。这种反馈控制环路需要传感器安全、可靠的信息支持,这种信息通常需要通过远距离电缆从编码器传输到控制器。
增量信息通常以正交信号形式传输至控制器,即两个信号相位差为90°。这些信号可以是模拟形式(sine + cosine),也可以是二进制形式。而绝对位置信息仅以串行二进制数据流形式通过RS-482或RS-422总线传输。
由于工作环境恶劣,需要保证数据通道高度安全、可靠。差分信号成为高EMI环境的理想选择。由于器件靠近电机工作,因此,还需要支持高温环境。
Maxim提供全面的RS-485/RS-422和PROFIBUS接口器件,专为电机控制应用而设计。MAX14840E高速RS-485收发器等接口器件具备高度信号完整性和可靠性,满足严格的安全控制需求和大型投资设备的开发周期需求。
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