傳感器和數(shù)據(jù)接口在工業(yè)控制中的重要性

（文章來源：OFweek）

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。

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(shè)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(shè)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(dāng)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(shè)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(shè)計提供極大靈活性，并簡化了各種ADC及其應(yīng)用的器件選型。

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(yīng)措施。檢測運動方向通常需要兩個霍爾傳感器。

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(guān)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?；魻杺鞲衅鬟€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(fù)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(yīng)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(dāng)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(dǎo)致線圈發(fā)生變化。當(dāng)齒輪靠近傳感器時，磁通量達到最大值。當(dāng)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(yīng)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(zhǔn)確的相位信息。

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(shè)計人員選擇：使用多個單通道ADC，這種設(shè)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(fù)用器。同步采樣設(shè)計無需復(fù)雜的數(shù)字信號處理算法。

電機控制應(yīng)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(fù)或在必要時關(guān)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(yīng)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(yīng)用，16位分辨率則是更為常見的標(biāo)準(zhǔn)。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。
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