電機控制中的反饋傳感器包括追蹤轉(zhuǎn)子位置的位置傳感器、測量電動機相位電流的電流傳感器、監(jiān)測直流總線電壓的電壓傳感器和追蹤熱量的溫度傳感器。位置傳感器,如解析器,以及電流傳感器、電壓傳感器和溫度傳感器,輸出模擬值必須轉(zhuǎn)換成數(shù)字化使用模擬接口和ADC轉(zhuǎn)換器。
電流傳感器
控制系統(tǒng)中的當前測量通常使用兩種方法完成 電阻器 或 人道效應(yīng)傳感器 ,取決于具體的硬件實現(xiàn)。
霍爾效應(yīng)傳感器可以測量電流而不直接與導體發(fā)生電接觸,在測量電路和載流電路之間提供電隔離?？梢詼y量交流和直流電流,他們可以處理范圍廣泛的電流,從非常小到非常大。有兩種主要類型的影響傳感器:開環(huán)霍爾效應(yīng)電流傳感器,它直接測量磁場而不反饋,提供簡單性和成本效益;閉環(huán)霍爾效應(yīng)電流傳感器--常被稱為補償或零流體傳感器--利用反饋繞組來抵消主磁場,從而在廣泛范圍內(nèi)提高精度和線性。如果你的電動機控制應(yīng)用要求高精度高帶寬,而抗溫度波動,閉環(huán)霍爾效應(yīng)電流傳感器往往是首選的選擇。然而,總是要考慮到你的應(yīng)用程序的具體要求和成本影響,因為閉環(huán)傳感器可能比開環(huán)的對應(yīng)方更昂貴。
通常比其他電流傳感方法便宜的電阻器特別適合于測量低電流,在這種情況下,分流管上的電壓降仍然在可測量的范圍內(nèi),而且在空間受到限制的應(yīng)用中也是如此。當決定在電動機控制應(yīng)用中使用分流電阻時,總是考慮應(yīng)用的具體要求。
展示了利用哈爾效應(yīng)傳感器和全微分、低功率、低噪聲放大器進行電流傳感的實例,這些放大器具有為驅(qū)動差動ADC而優(yōu)化的鐵路到軌道輸出。使用差數(shù)或單端ADC的選擇取決于應(yīng)用程序和需求。使用差動ADC的主要優(yōu)點包括具有緊密路由輸入的抗噪聲、消除共模噪聲、在0V附近加倍動態(tài)范圍、提高小電壓信號的性能。
為了處理諧波和瞬態(tài),該輸出放大器的帶寬應(yīng)大大高于壓波M頻率,最好是在兆赫范圍內(nèi)。它應(yīng)該具有低噪聲特性和較高的共同模式排斥比(CMRR),以確保共模式信號,如來自壓水機開關(guān)或其他噪聲源的信號,被拒絕和不出現(xiàn)在差速器輸出。適合于差動ADCS的電動機控制應(yīng)用的OPS-AMPS包括具有鐵路到軌道輸入和輸出功能的完全差動放大器,例如通過模擬裝置實現(xiàn)的LTC6363和ADA4807,以及通過德克薩斯儀器實現(xiàn)的ths452x家族。
12位ADC通常用于許多通用應(yīng)用程序,在分辨率、成本和復(fù)雜性之間提供合理的權(quán)衡。在精密電動機控制應(yīng)用中,更精細的電流測量對控制精度至關(guān)重要,通常采用16位ADC。對大多數(shù)電動機控制應(yīng)用來說,超過16比特通常是過度的。必須始終考慮整個信號鏈,從目前的傳感器電阻或影響傳感器,通過信號調(diào)節(jié)電路,到ADC本身。鏈條中最薄弱的環(huán)節(jié)決定著現(xiàn)實世界的分辨率和準確性。
直流總線電壓感應(yīng)
在許多應(yīng)用程序中,直流總線電壓相對穩(wěn)定,而不同的是,它的電流波形變化很快。這意味著快速取樣并不那么重要,因為數(shù)值變化得不太快?？紤]到直流電壓的相對穩(wěn)定性,直流總線電壓測量中的任何噪聲或波動通常都可以通過平均或濾波來處理。這意味著為了獲得一個穩(wěn)定和準確的測量,不需要更高的分辨率的ADC?？紤]到直流總線電源的儲集電容器已經(jīng)提供了顯著的低通濾波效果,ADC主要捕捉穩(wěn)定的直流電壓和潛在的疊加高頻噪聲。一個中值濾波器,擅長從數(shù)據(jù)中消除零星的高頻峰值,可以與低通濾波器(LP)一起使用。對于LP濾波器的截止頻率可以設(shè)置為較低的,在10赫茲至50赫茲的范圍內(nèi)。一個簡單的一級ii(無限脈沖響應(yīng))濾波器可以作為LP濾波器。
溫度感應(yīng)
各地點的溫度監(jiān)測對于確保設(shè)備的安全運行、最佳性能和延長其壽命至關(guān)重要。
以下是通常測量的臨界溫度(和位置):
· 電機繞組溫度是最關(guān)鍵的溫度測量之一。電機繞組過熱會降低絕緣性能,導致電機過早失效。
· NTC熱敏電阻器是電動機中最常用的溫度傳感器。然而,一些電動機配備了電阻溫度檢測器,如基于pt100/pt1000鉑的半導體RTD。有些電動機只包含熱開關(guān)或溫控器,它們是放置在電動機繞組內(nèi)或電動機外殼上的雙金屬溫控開關(guān)。當達到特定溫度時,這些開關(guān)可以打開或關(guān)閉電路以激活保護機制,例如停止電動機或觸發(fā)報警。
· 電源開關(guān)設(shè)備(如GBts/MOSIFT)的連接溫度。一些IGBT模塊可能有集成溫度傳感器來監(jiān)控連接溫度。
· 溫度
· 環(huán)境溫度
· 帶有液體冷卻系統(tǒng)的電動機的冷卻溫度
· 單片機、DSP或FPGA等控制單元的連接溫度
通過監(jiān)測這些溫度,操作員和控制系統(tǒng)可以就電動機的操作作出明智的決定,如果溫度超過安全限度,可能會降低功率或關(guān)閉電動機。
IC溫度傳感器,通常是NTC熱敏電阻器或RDS,有時嵌入在繞組中,或者放在很近的位置,以提供繞組溫度的測量。它們提供與溫度相應(yīng)的數(shù)字或模擬輸出。IC傳感器因其易于集成、穩(wěn)定和能夠在像i2c或SPI這樣的總線系統(tǒng)上進行通信而聞名。
電機和電機控制器部件的溫度變化速度相對較慢.根據(jù)動態(tài)和應(yīng)用要求,傳感電動機溫度的典型采樣率可能從每幾秒鐘一次到每幾分鐘一次不等。
位置傳感器
為了實現(xiàn)對PMSM轉(zhuǎn)速的平穩(wěn)控制,必須精確測量電機軸角。測量結(jié)果的不準確性會導致電動機不穩(wěn)定、痙攣或電流消耗增加,從而可能損害PMSM。因此,位置讀數(shù)的準確性是至關(guān)重要的.
主要有兩種主要類型的旋轉(zhuǎn)位置傳感器用于電機控制應(yīng)用:編碼器和解析器。
旋轉(zhuǎn)編碼器
旋轉(zhuǎn)編碼器主要采用光學或磁傳感機構(gòu)。光學編碼器提供高分辨率、快速運行速度和可靠的性能在各種環(huán)境中。相反,磁編碼器在更健壯的情況下更受青睞,提供值得稱贊的分辨率,快速運行,并顯示出對環(huán)境因素,如塵埃,濕度,溫度波動,以及機械沖擊的異乎尋常的抵抗力。
絕對編碼器唯一突出的維護位置記憶,即使在缺乏權(quán)力。此功能確保在恢復(fù)電源后立即進行位置驗證,從而無需重置到家庭位置。從本質(zhì)上說,絕對編碼器的核心好處在于它能夠繞過對參考操作的需求,立即恢復(fù)其精確位置的位置。絕對編碼器的分辨率由其輸出數(shù)據(jù)中的比特數(shù)決定。
增量編碼器在旋轉(zhuǎn)時產(chǎn)生一系列脈沖,脈沖計數(shù)顯示從已知位置的運動。與絕對編碼器不同的是,它們不追蹤或記住電源丟失時的準確位置;相反,每次啟動時,它們都需要一個參考點或"家"點進行校準。增量編碼器的主要輸出是一系列脈沖流,其頻率指示速度,脈沖計數(shù)指示距離移動或位置變化。
絕對旋轉(zhuǎn)編碼器提供關(guān)于轉(zhuǎn)子位置的高分辨率反饋,它們被用于精確測量至關(guān)重要、啟動"零化"步驟不切實際或不可取的應(yīng)用。
RS-422/485物理層標準由于其健壯的差動信令,在工業(yè)環(huán)境中具有良好的抗噪聲性和可靠的遠距離數(shù)據(jù)傳輸能力,因而受到絕對旋轉(zhuǎn)編碼器的青睞。除了RS-422/RS-485之外,還使用其他幾個物理層與絕對旋轉(zhuǎn)編碼器進行通信。這些包括以太網(wǎng),CAN,模擬信號和有時USB用于配置和診斷。
同步、點對點、串行通信是一種數(shù)據(jù)傳輸方法,設(shè)備在兩個設(shè)備之間直接同步交換數(shù)據(jù),每次一個位。該協(xié)議遵守RS-485物理層標準,確保強大和可靠的通信,即使在有潛在干擾的工業(yè)環(huán)境中也是如此。同步通信確保反饋和命令數(shù)據(jù)與驅(qū)動器的控制周期一致。
為便利編碼器和控制器之間的通信,設(shè)計了各種協(xié)議,為無縫實時交互提供了短周期時間。
分解器
電動機解析器是用來測量電動機轉(zhuǎn)子角位置的旋轉(zhuǎn)變壓器。它們由一個轉(zhuǎn)子和一個或多個定子繞組組成。當轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動時,它會在定子繞組中產(chǎn)生一個變化的電壓,可以解碼來確定軸的角位置。解析器以其耐久性著稱,能夠經(jīng)受惡劣的環(huán)境,并經(jīng)常被發(fā)現(xiàn)在高可靠性和健壯性是必不可少的應(yīng)用,如航空航天和工業(yè)環(huán)境。與提供數(shù)字反饋的編碼器不同,解析器提供模擬反饋,它們的輸出需要在數(shù)字控制系統(tǒng)中使用轉(zhuǎn)換。
向轉(zhuǎn)子輸入正弦勵磁信號。當轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動時,由于轉(zhuǎn)子的角位置,該信號的相位和幅值相對于定子繞組的變化。這些繞組的輸出是正弦信號,稱為正弦和余弦輸出。這些信號的幅值分別與轉(zhuǎn)子角位置的正弦和余弦成正比。為了確定轉(zhuǎn)子的角度,控制器或接口電路通常采用UCOS輸出與UCO輸出的比率,并計算出弧線,從而推導出角的位置。由于解析器提供模擬反饋,通常使用ADC將模擬信息轉(zhuǎn)換為數(shù)字數(shù)據(jù),以便由控制單元進行進一步處理。解析器是健壯的,不受某些類型的噪音和干擾的影響,能夠在數(shù)字傳感器(如編碼器)可能失效的惡劣環(huán)境中可靠地工作。
應(yīng)用於電機控制系統(tǒng)的關(guān)鍵參數(shù)
在控制系統(tǒng)中,特別是在電動機操作中,測量的準確性是至關(guān)重要的.模擬轉(zhuǎn)換器(ADC)在將模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字數(shù)據(jù)進行處理方面發(fā)揮著重要作用。在選擇ADC時,必須考慮它的分辨率、采樣率、精度、噪聲性能、輸入范圍、耗電量、接口類型以及與預(yù)期應(yīng)用程序的信號頻率和處理要求的兼容性。
一些重要的參數(shù),如TCD,信噪比,Enob和吞吐量解釋如下。
全諧波失真 是一種用db表示的度量,表示初始五個諧波分量的根平均平方和與一個完整輸入信號的rms值之間的比率。
信噪比 量化所需信號從噪音中脫穎而出的程度。信噪比在這里是動態(tài)范圍的同義詞,在信號處理和電子環(huán)境中,指的是變化量的最大值和最小值之間的比率。與ADC信噪比密切相關(guān)的一個附加參數(shù)是 信號到噪音+失真 ,通常稱為 辛納德 .
在應(yīng)用程序中引入降低信噪比的幾個關(guān)鍵因素。
1. 量化噪音: 與ADC的分辨率直接相關(guān)。ADC中較高的位數(shù)將提供更好的信噪比,因為步長較小,減少量化錯誤。這對于精確的電動機控制任務(wù)非常重要。
2. 熱噪音: 這種由電子的隨機運動引起的固有噪聲存在于所有的電子元件中,會影響ADC讀數(shù)的準確性。
3. 電磁干擾: 電動機,特別是當它們在高頻率下切換時,可以是EMI的來源。這種干擾可以連接到ADCS和其他敏感電子元件,影響他們的信噪比。
4. 電源噪音: 電壓波動和來自電源的噪音會影響ADC的讀數(shù)。保持穩(wěn)定的電源供應(yīng)是至關(guān)重要的,尤其是當馬達和控制電子設(shè)備共享電源時。
5. 參考電壓噪音: ADC使用參考電壓來確定模擬信號的數(shù)字表示方式。如果這個基準電壓是噪聲,它會影響信噪比。
6. 錯配: 在電動機控制的背景下,如果輸入信號(如電動機的背電磁波)含有的頻率超過ADC采樣率的一半,則可能發(fā)生混疊。必須以適當?shù)乃俣冗M行采樣,并使用某種過濾來防止這種情況。
7. 顫抖: 不準確的時間,特別是在ADC的采樣時鐘,可以引入錯誤。在電動機控制應(yīng)用程序中,通常會發(fā)生以時間為基礎(chǔ)的事件,如壓波M信號,因此,最小化震動變得至關(guān)重要。例如,當位置樣本之間的時間間隔不一致時(由于顫抖),區(qū)分可以產(chǎn)生跳躍或計算速度的峰值。這些跳躍可能被控制器誤解為速度的快速變化,導致它采取不必要或過度的糾正行動
8. 外部干預(yù): 除了電動機本身的EMI之外,其他靠近的設(shè)備和系統(tǒng)也會引入影響ADC輸入的干擾。
9. 電路噪聲：具有ADC電路的PCB的設(shè)計和布局可能會引入噪聲。適當?shù)脑O(shè)計措施，包括解耦、屏蔽和接地，有助于盡量減少這種噪音。
10.串擾：在使用多個ADC信道的系統(tǒng)中，一個通道可以從另一個通道接收干擾。
11.另一個重要的度量標準是有效比特數(shù)(ENOB)。當輸入是一個正弦波時，ENOB測量分辨率。它是由SINAD計算出的，計算公式如下：ENOB = (SINAD dB – 1.76) / 6.02 (結(jié)果以位表示。)
(取樣率) 對于ADC來說,它描述的是ADC的最大采樣速率,或者它能夠?qū)⒛M輸入信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字輸出的速度。它通常用"每秒公斤樣品"表示。
許多機動控制單片機配備了12位,14位,甚至16位的自動數(shù)據(jù)處理器,以提高電流和電壓測量的分辨率。受歡迎的單片機制造商,如STM32系列、德克薩斯儀器(C2000系列)、NXP(動力學家)和微芯片(DSPIC,PIC32),將能夠同時對多個通道進行采樣的高采樣率的ADCS集成在一起。此外,還有以差速器為特征的單片機,用于精確的電流和電壓測量,消除共模噪聲。單片機ADCS通常通過采集多個連續(xù)樣本來實現(xiàn)過采樣,然后計算它們的平均值。
在選擇控制電動機的ADC時,總是考慮應(yīng)用的細節(jié)和電動機操作的性質(zhì)。確保所選的ADC滿足準確性、速度和應(yīng)用程序特定上下文中其他相關(guān)參數(shù)的要求。
控制系統(tǒng)中的時間和同步測量
電機控制器與主機系統(tǒng)(通常是PLC、PC或?qū)Ｓ每刂葡到y(tǒng))同步,以實時協(xié)調(diào)動作控制任務(wù)。同步確保主機和電機控制器之間的命令、反饋和其他數(shù)據(jù)交換是及時和一致的。
有些通信協(xié)議允許跨設(shè)備的時鐘同步。這確保了主機和電機控制器是基于相同的時間參考運行的。一個例子是在基于醚的系統(tǒng)中使用的精確時間協(xié)議(PTP)。
許多現(xiàn)場總線和工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議(以太網(wǎng)、PROFIBUS、普羅菲內(nèi)特、電力鏈路、塞科斯III、以太網(wǎng)/IP)支持循環(huán)數(shù)據(jù)交換,其中的數(shù)據(jù)是按預(yù)定的固定間隔讀取或?qū)懭腚姍C控制器。
有些系統(tǒng)使用專用的輸入/輸出信號進行同步。當外部主機系統(tǒng)提供專門的同步輸出信號時,作為對電機控制器的輸入,當務(wù)之急是電機控制器的內(nèi)部處理周期和所有的內(nèi)部采樣時鐘與此同步。
所有的測量活動,主要的處理中斷和壓水機輸出應(yīng)該與這個系統(tǒng)周期協(xié)調(diào).在這種情況下,鎖相循環(huán)(PLL)至關(guān)重要,因為它們確保輸出和輸入信號階段的同步。雖然許多微控制器帶有內(nèi)置的PLL,但對于基于fpga的系統(tǒng),人們可能需要將PLL作為IP。
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