工業(yè)運(yùn)動(dòng)控制中的測(cè)量技術(shù)

 工業(yè)運(yùn)動(dòng)控制涵蓋一系列應(yīng)用，包括基于逆變器的風(fēng)扇或泵控制、具有更為復(fù)雜的交流驅(qū)動(dòng)控制的工廠自動(dòng)化以及高級(jí)自動(dòng)化應(yīng)用(如具有高級(jí)伺服控制的機(jī)器人)。這些系統(tǒng)需要檢測(cè)和反饋多個(gè)變量，例如電機(jī)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(yīng)用需求、系統(tǒng)架構(gòu)、目標(biāo)系統(tǒng)成本或系統(tǒng)復(fù)雜度將決定變量的選擇和所需的測(cè)量精度。據(jù)報(bào)道，電機(jī)占全球總能耗的40%，國(guó)際法規(guī)越來(lái)越注重整個(gè)工業(yè)運(yùn)動(dòng)應(yīng)用的系統(tǒng)效率，因此，這些變量越來(lái)越重要，特別是電流和電壓。

本文將根據(jù)電機(jī)額定功率、系統(tǒng)性能要求以及終端應(yīng)用，重點(diǎn)討論各種電機(jī)控制信號(hào)鏈拓?fù)渲械碾娏髋c電壓檢測(cè)。在此情況下，電機(jī)控制信號(hào)鏈的實(shí)現(xiàn)會(huì)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(dòng)應(yīng)用圖譜

工業(yè)驅(qū)動(dòng)器應(yīng)用圖譜

從簡(jiǎn)單的逆變器到復(fù)雜的伺服驅(qū)動(dòng)器，電機(jī)控制應(yīng)用涵蓋一系列電機(jī)類型，但所有電機(jī)均包含特定功率級(jí)的電機(jī)控制系統(tǒng)，以及具有不同級(jí)別的檢測(cè)和反饋，可驅(qū)動(dòng)脈沖寬度調(diào)制器(PWM)模塊的處理器。圖1為應(yīng)用圖譜的簡(jiǎn)化圖，展示了復(fù)雜度從左至右逐步提高的各種系統(tǒng)，首先是簡(jiǎn)單的控制系統(tǒng)，如無(wú)需精密反饋僅使用簡(jiǎn)單微處理器即可實(shí)現(xiàn)的泵、風(fēng)扇和壓縮機(jī)。隨著系統(tǒng)復(fù)雜度的提高(即移向圖譜的較高端)，復(fù)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(yīng)電機(jī)或永磁電機(jī)，以及針對(duì)圖1中所示效率而設(shè)計(jì)的高功率工業(yè)驅(qū)動(dòng)器(如大型泵、風(fēng)扇和壓縮機(jī))。圖譜的最高端為復(fù)雜的伺服驅(qū)動(dòng)器，用于機(jī)器人、機(jī)床以及貼片機(jī)器等應(yīng)用。隨著系統(tǒng)復(fù)雜度的提高，變量的檢測(cè)和反饋?zhàn)兊迷絹?lái)越關(guān)鍵。

驅(qū)動(dòng)器架構(gòu)系統(tǒng)劃分

我們?cè)谠O(shè)計(jì)滿足各種工業(yè)運(yùn)動(dòng)控制應(yīng)用需求的系統(tǒng)時(shí)可能會(huì)遇到各種問(wèn)題。通用電機(jī)控制信號(hào)鏈如圖2所示。

圖2.通用電機(jī)控制信號(hào)鏈

隔離要求非常重要，通常對(duì)產(chǎn)生的電路拓?fù)浜图軜?gòu)具有顯著影響。需要考慮兩個(gè)關(guān)鍵因素：隔離的原因和位置。

隔離分類的要求取決于前者。可能要求高壓安全隔離(SELV)以防電擊，或功能隔離以便在非致命電壓之間進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換，或?yàn)閷?shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)完整性并消除噪音而要求進(jìn)行隔離。隔離位置通常由系統(tǒng)的預(yù)期性能決定。電機(jī)控制通常是在充滿電噪聲的惡劣環(huán)境中進(jìn)行，采用的設(shè)計(jì)通常需承受數(shù)百伏的共模電壓，可能會(huì)在超過(guò)20 kHz的頻率下切換，并具有極高的瞬態(tài)dv/dt上升時(shí)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(huì)設(shè)計(jì)為具有與控制級(jí)相隔離的功率級(jí)。無(wú)論是采用單處理器還是雙處理器設(shè)計(jì)都會(huì)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(jìn)行隔離，這意味著功率級(jí)和控制級(jí)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(shù)具有局限性，因此，隔離高端系統(tǒng)的通信端口通常會(huì)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(wèn)世，情況正在發(fā)生變化。

在高性能閉環(huán)電機(jī)控制設(shè)計(jì)中，兩個(gè)關(guān)鍵的元件構(gòu)成為PWM調(diào)制器輸出和電機(jī)相位電流反饋。圖3a和圖3b展示了需要進(jìn)行安全隔離的位置，具體位置取決于控制級(jí)是與功率級(jí)共享相同的電位還是以接地為基準(zhǔn)。無(wú)論何種情況，高端柵極驅(qū)動(dòng)器和電流檢測(cè)節(jié)點(diǎn)都需要隔離，但是圖3a中的隔離等級(jí)不同，這些節(jié)點(diǎn)只需進(jìn)行功能隔離，而在圖3b中，這些節(jié)點(diǎn)的人員安全隔離(即電流隔離)至關(guān)重要。

圖3a.以功率級(jí)為基準(zhǔn)的控制級(jí)

圖3b.以接地為基準(zhǔn)的控制級(jí)