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控制系統(tǒng)

工業(yè)電機控制系統(tǒng)

星之球激光 來源:佳工機電網(wǎng)2011-12-02 我要評論(0 )   

摘要:這篇工業(yè)電機控制概述著重介紹了直流電機、無刷直流電機、交流感應電機的差異及其子系統(tǒng),深入分析了電流監(jiān)測與測量、溫度檢測子系統(tǒng)、電機速度、位置、位移檢測...

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

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

通用電機設計
直流電機、無刷直流和交流感應電機是當今工業(yè)應用設計中最常見的電機。盡管每種類型的電機都有獨特的性能,但基本工作原理類似。當一個導體通電時,例如線圈繞組,如果導體處于一個與其垂直的外部磁場內(nèi),導體將會受到一個與自身和外部磁場垂直的力。



直流電機:低成本和高精度驅(qū)動性能
直流電機是最先投入使用的電機類型,目前仍然以低開發(fā)成本和卓越的驅(qū)動性能得到普遍應用。在最簡單的直流電機中,定子(即電機固定部件)為永久磁鐵,轉(zhuǎn)子(即電機的轉(zhuǎn)動部件)上纏繞了電樞繞組,電樞繞組連接到機械換向開關,該開關控制繞組電流的導通和關閉。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。電機速度通過調(diào)整電樞繞組的直流電壓進行控制。

根據(jù)具體應用的不同,可以采用全橋、半橋或一個簡單的降壓轉(zhuǎn)換器驅(qū)動電樞繞組。這些轉(zhuǎn)換器的開關通過脈寬調(diào)制(PWM)獲得相應的電壓。Maxim的高邊或橋式驅(qū)動器IC,例如:MAX15024/MAX15025,可以用來驅(qū)動全橋或半橋電路的FET。

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

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工業(yè)電機控制系統(tǒng)典型電路框圖。
關于Maxim推薦的電機驅(qū)動方案的完整信息,請訪問:china.maxim-ic.com/motordrive。

交流感應電機:簡單、堅固耐用

交流感應電機以簡單、堅固耐用而著稱,被廣泛用于工業(yè)領域。最簡單的交流電機就是一個變壓器,原級電壓連接到交流電壓源,次級短路承載感應電流。“感應”電機的名稱源于“感應次級電流”。定子載有一個三相繞組,轉(zhuǎn)子設計簡單,通常被稱為“鼠籠”,其中,兩端的銅或鋁棒通過鑄鋁環(huán)短路。由于沒有轉(zhuǎn)子繞組和碳刷,這種電機的設計非??煽俊?/p>

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感應電機的轉(zhuǎn)子和定子

工作在60Hz電壓時,感應電機恒速運轉(zhuǎn)。然而,當采用電源電路和基于微處理器的系統(tǒng)時,可以控制電機速度變化。變速驅(qū)動器由逆變器、信號調(diào)理器和基于微處理器的控制器組成。逆變器采用三個半橋,頂部和底部切換以互補方式控制。Maxim提供多種半橋驅(qū)動器,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(zhuǎn)子位置及轉(zhuǎn)速是對感應電機進行高效閉環(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(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC),能夠在惡劣環(huán)境下精確測量這些參數(shù)。

微處理器利用電流和位置數(shù)據(jù)產(chǎn)生三相橋路的邏輯信號。一種常見的閉環(huán)控制技術(shù)稱為矢量控制,它消除了磁場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。

無刷直流電機:高可靠性和高輸出功率

無刷直流(BLDC)電機既沒有換向器也沒有碳刷,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(guī)格的無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(zhuǎn)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(zhuǎn)子電流的影響。BLDC電機還需要一定形式的轉(zhuǎn)子位置檢測。通常利用定子中嵌入的霍爾器件檢測轉(zhuǎn)子位置。當轉(zhuǎn)子的磁極經(jīng)過霍爾傳感器附近時,會有一個信號指示通過的是北極還是南極。Maxim提供多款霍爾傳感器,如MAX9641,這些器件集成了兩個霍爾傳感器和數(shù)字邏輯電路,可提供磁場位置、方向輸出,從而簡化設計并降低系統(tǒng)成本。

傳感器、信號轉(zhuǎn)換和數(shù)據(jù)接口的重要性

在電機控制環(huán)路中,有幾種類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(tǒng)的故障狀態(tài),從而提高系統(tǒng)可靠性。以下章節(jié)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(nèi)容包括:利用高速模/數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)監(jiān)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(shù)據(jù)接口等。

檢測并監(jiān)控電流優(yōu)化電機控制

電流監(jiān)測

電流是用于檢測、監(jiān)測并反饋給電機控制環(huán)路的常見信號。利用電流檢測放大器可以輕松地精確監(jiān)測系統(tǒng)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(jiān)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,最常見的方案是采用檢流電阻進行測量。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行放大,然后測量放大后的電壓信號。傳統(tǒng)設計中通常采用分立器件。但分立方案存在一些缺點,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,這些缺點可以通過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?qū)收蠣顟B(tài)進行監(jiān)測,例如,電機外殼或繞組對地短路。

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。這種設計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。器件的多樣性為設計提供極大靈活性,并簡化了各種ADC及其應用的器件選型。

電機速度、位置及位移檢測

霍爾傳感器被廣泛用于電機速度、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)進行實時反饋。傳感器還可檢測并報告任何形式的電機中斷故障,從而采取相應措施。檢測運動方向通常需要兩個霍爾傳感器。 #p#分頁標題#e#

若系統(tǒng)使用的霍爾器件數(shù)量與電機相數(shù)相同,并且霍爾器件的機械結(jié)構(gòu)與電機每一相的電氣特性相關聯(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、對霍爾傳感器的吸收電流進行檢測并濾波,以及故障診斷和保護。

與機械式光斷路器系統(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。

有些應用中,振動、灰塵和高溫會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工作并通過一個接口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通過一個線圈檢測電機的速度和轉(zhuǎn)動。當電機上安裝的齒輪進入磁場時,磁場的磁通量將會發(fā)生變化,從而導致線圈發(fā)生變化。當齒輪靠近傳感器時,磁通量達到最大值。當齒輪離開時,磁通量開始下降。旋轉(zhuǎn)齒輪會產(chǎn)生隨時間變化的磁通量,在線圈中感應產(chǎn)生成比例的電壓。隨后,電子電路對該信號進行處理,獲得一個更容易計數(shù)和定時的數(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、提供準確的相位信息。

多通道電流、電壓的監(jiān)測與控制

監(jiān)測、控制電機時,需要測量多個電流和電壓信號,并需要保持通道間相位信息的完整性。有兩種ADC架構(gòu)供設計人員選擇:使用多個單通道ADC,這種設計很難實現(xiàn)同步轉(zhuǎn)換時序;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,多路模擬輸入和單通道ADC之間仍需使用多路復用器。同步采樣設計無需復雜的數(shù)字信號處理算法。

電機控制應用大多采用100ksps或更高的采樣速率。ADC以這樣的速率連續(xù)監(jiān)測電機的工作狀況,提供任何故障或潛在險情的報警指示。一旦發(fā)現(xiàn)故障征兆,系統(tǒng)即可進行修復或在必要時關斷系統(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。

不同的電機控制應用對于動態(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控制應用,16位分辨率則是更為常見的標準。利用高性能16位ADC,如MAX11044或MAX11049,系統(tǒng)可獲得高于90dB的動態(tài)范圍。

Maxim提供適合各種電機控制的同步采樣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。

帶有編碼器數(shù)據(jù)接口的高精度電機控制

電機控制精度取決于系統(tǒng)需求。有些應用對于精度的要求非常高,如工業(yè)機器人技術(shù)或灌裝生產(chǎn)線。例如,焊接機器人需要高速、高精度工作。同樣,灌裝生產(chǎn)線的電機必須精確控制,使瓶子能夠停留在正確的位置進行灌裝、上蓋、貼標簽。為了高精度地控制電機,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行監(jiān)測,如決策器、同步器、RVDT或旋轉(zhuǎn)電位計。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。

電機控制器計算轉(zhuǎn)子的當前速度和角度,通常由數(shù)字信號處理器(DSP)按照一定算法實現(xiàn)。它通過調(diào)整激勵獲得高效、最佳響應。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距離電纜從編碼器傳輸?shù)娇刂破鳌?

增量信息通常以正交信號形式傳輸至控制器,即兩個信號相位差為90°。這些信號可以是模擬形式(sine + cosine),也可以是二進制形式。而絕對位置信息僅以串行二進制數(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,專為電機控制應用而設計。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,滿足嚴格的安全控制需求和大型投資設備的開發(fā)周期需求

 

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