工業(yè)運動控制中的測量技術

工業(yè)運動控制涵蓋一系列應用，包括基于逆變器的風扇或泵控制、具有更為復雜的交流驅(qū)動控制的工廠自動化以及高級自動化應用(如具有高級伺服控制的機器人)。這些系統(tǒng)需要檢測和反饋多個變量，例如電機繞組電流或電壓、直流鏈路電流或電壓、轉(zhuǎn)子位置和速度。在諸如增值功能(如狀態(tài)監(jiān)控)等考慮因素中，終端應用需求、系統(tǒng)架構、目標系統(tǒng)成本或系統(tǒng)復雜度將決定變量的選擇和所需的測量精度。據(jù)報道，電機占全球總能耗的40%，國際法規(guī)越來越注重整個工業(yè)運動應用的系統(tǒng)效率，因此，這些變量越來越重要，特別是電流和電壓。

本文將根據(jù)電機額定功率、系統(tǒng)性能要求以及終端應用，重點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現(xiàn)會因傳感器選擇、電流隔離要求、模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)選擇、系統(tǒng)集成以及系統(tǒng)功耗和接地劃分的不同而有所差異。

圖1.工業(yè)驅(qū)動應用圖譜

工業(yè)驅(qū)動器應用圖譜

從簡單的逆變器到復雜的伺服驅(qū)動器，電機控制應用涵蓋一系列電機類型，但所有電機均包含特定功率級的電機控制系統(tǒng)，以及具有不同級別的檢測和反饋，可驅(qū)動脈沖寬度調(diào)制器(PWM)模塊的處理器。圖1為應用圖譜的簡化圖，展示了復雜度從左至右逐步提高的各種系統(tǒng)，首先是簡單的控制系統(tǒng)，如無需精密反饋僅使用簡單微處理器即可實現(xiàn)的泵、風扇和壓縮機。隨著系統(tǒng)復雜度的提高(即移向圖譜的較高端)，復雜控制系統(tǒng)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(qū)動器(如大型泵、風扇和壓縮機)。圖譜的最高端為復雜的伺服驅(qū)動器，用于機器人、機床以及貼片機器等應用。隨著系統(tǒng)復雜度的提高，變量的檢測和反饋變得越來越關鍵。

驅(qū)動器架構系統(tǒng)劃分

我們在設計滿足各種工業(yè)運動控制應用需求的系統(tǒng)時可能會遇到各種問題。通用電機控制信號鏈如圖2所示。

圖2.通用電機控制信號鏈

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影響。需要考慮兩個關鍵因素：隔離的原因和位置。

隔離分類的要求取決于前者?？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行電平轉(zhuǎn)換，或為實現(xiàn)數(shù)據(jù)完整性并消除噪音而要求進行隔離。隔離位置通常由系統(tǒng)的預期性能決定。電機控制通常是在充滿電噪聲的惡劣環(huán)境中進行，采用的設計通常需承受數(shù)百伏的共模電壓，可能會在超過20 kHz的頻率下切換，并具有極高的瞬態(tài)dv/dt上升時間。為此，性能較高的系統(tǒng)和固有噪聲較高的大功率系統(tǒng)通常會設計為具有與控制級相隔離的功率級。無論是采用單處理器還是雙處理器設計都會影響隔離位置。在性能較低的低功耗系統(tǒng)中，通常是在數(shù)字通信接口上進行隔離，這意味著功率級和控制級處于同一電位。低端系統(tǒng)需隔離的通信接口帶寬較低。由于高端系統(tǒng)要求具有較高帶寬，且傳統(tǒng)隔離技術具有局限性，因此，隔離高端系統(tǒng)的通信端口通常會比較困難。但是隨著磁性隔離的CAN和RS-485收發(fā)器產(chǎn)品的問世，情況正在發(fā)生變化。

在高性能閉環(huán)電機控制設計中，兩個關鍵的元件構成為PWM調(diào)制器輸出和電機相位電流反饋。圖3a和圖3b展示了需要進行安全隔離的位置，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。無論何種情況，高端柵極驅(qū)動器和電流檢測節(jié)點都需要隔離，但是圖3a中的隔離等級不同，這些節(jié)點只需進行功能隔離，而在圖3b中，這些節(jié)點的人員安全隔離(即電流隔離)至關重要。

圖3a.以功率級為基準的控制級

圖3b.以接地為基準的控制級