電機(jī)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(cè)量電動(dòng)機(jī)相位電流的電流傳感器、監(jiān)測(cè)直流總線(xiàn)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(dāng)前測(cè)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(shí)現(xiàn)。

　　霍爾效應(yīng)傳感器可以測(cè)量電流而不直接與導(dǎo)體發(fā)生電接觸,在測(cè)量電路和載流電路之間提供電隔離?？梢詼y(cè)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(lèi)型的影響傳感器:開(kāi)環(huán)霍爾效應(yīng)電流傳感器,它直接測(cè)量磁場(chǎng)而不反饋,提供簡(jiǎn)單性和成本效益;閉環(huán)霍爾效應(yīng)電流傳感器--常被稱(chēng)為補(bǔ)償或零流體傳感器--利用反饋繞組來(lái)抵消主磁場(chǎng),從而在廣泛范圍內(nèi)提高精度和線(xiàn)性。如果你的電動(dòng)機(jī)控制應(yīng)用要求高精度高帶寬,而抗溫度波動(dòng),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?yàn)殚]環(huán)傳感器可能比開(kāi)環(huán)的對(duì)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(cè)量低電流,在這種情況下,分流管上的電壓降仍然在可測(cè)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(dāng)決定在電動(dòng)機(jī)控制應(yīng)用中使用分流電阻時(shí),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(jìn)行電流傳感的實(shí)例,這些放大器具有為驅(qū)動(dòng)差動(dòng)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(dòng)ADC的主要優(yōu)點(diǎn)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(dòng)態(tài)范圍、提高小電壓信號(hào)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(hào),如來(lái)自壓水機(jī)開(kāi)關(guān)或其他噪聲源的信號(hào),被拒絕和不出現(xiàn)在差速器輸出。適合于差動(dòng)ADCS的電動(dòng)機(jī)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(dòng)放大器,例如通過(guò)模擬裝置實(shí)現(xiàn)的LTC6363和ADA4807,以及通過(guò)德克薩斯儀器實(shí)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(dòng)機(jī)控制應(yīng)用中,更精細(xì)的電流測(cè)量對(duì)控制精度至關(guān)重要,通常采用16位ADC。對(duì)大多數(shù)電動(dòng)機(jī)控制應(yīng)用來(lái)說(shuō),超過(guò)16比特通常是過(guò)度的。必須始終考慮整個(gè)信號(hào)鏈,從目前的傳感器電阻或影響傳感器,通過(guò)信號(hào)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(shí)世界的分辨率和準(zhǔn)確性。

　　直流總線(xiàn)電壓感應(yīng)

　　在許多應(yīng)用程序中,直流總線(xiàn)電壓相對(duì)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?yàn)閿?shù)值變化得不太快?？紤]到直流電壓的相對(duì)穩(wěn)定性,直流總線(xiàn)電壓測(cè)量中的任何噪聲或波動(dòng)通常都可以通過(guò)平均或?yàn)V波來(lái)處理。這意味著為了獲得一個(gè)穩(wěn)定和準(zhǔn)確的測(cè)量,不需要更高的分辨率的ADC?？紤]到直流總線(xiàn)電源的儲(chǔ)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(gè)中值濾波器,擅長(zhǎng)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(duì)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(gè)簡(jiǎn)單的一級(jí)ii(無(wú)限脈沖響應(yīng))濾波器可以作為L(zhǎng)P濾波器。

　　溫度感應(yīng)

　　各地點(diǎn)的溫度監(jiān)測(cè)對(duì)于確保設(shè)備的安全運(yùn)行、最佳性能和延長(zhǎng)其壽命至關(guān)重要。

　　以下是通常測(cè)量的臨界溫度(和位置):

　　· 電機(jī)繞組溫度是最關(guān)鍵的溫度測(cè)量之一。電機(jī)繞組過(guò)熱會(huì)降低絕緣性能,導(dǎo)致電機(jī)過(guò)早失效。

　　· NTC熱敏電阻器是電動(dòng)機(jī)中最常用的溫度傳感器。然而,一些電動(dòng)機(jī)配備了電阻溫度檢測(cè)器,如基于pt100/pt1000鉑的半導(dǎo)體RTD。有些電動(dòng)機(jī)只包含熱開(kāi)關(guān)或溫控器,它們是放置在電動(dòng)機(jī)繞組內(nèi)或電動(dòng)機(jī)外殼上的雙金屬溫控開(kāi)關(guān)。當(dāng)達(dá)到特定溫度時(shí),這些開(kāi)關(guān)可以打開(kāi)或關(guān)閉電路以激活保護(hù)機(jī)制,例如停止電動(dòng)機(jī)或觸發(fā)報(bào)警。

　　· 電源開(kāi)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(lái)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(dòng)機(jī)的冷卻溫度

　　· 單片機(jī)、DSP或FPGA等控制單元的連接溫度

　　通過(guò)監(jiān)測(cè)這些溫度,操作員和控制系統(tǒng)可以就電動(dòng)機(jī)的操作作出明智的決定,如果溫度超過(guò)安全限度,可能會(huì)降低功率或關(guān)閉電動(dòng)機(jī)。

　　IC溫度傳感器,通常是NTC熱敏電阻器或RDS,有時(shí)嵌入在繞組中,或者放在很近的位置,以提供繞組溫度的測(cè)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(xiàn)系統(tǒng)上進(jìn)行通信而聞名。

　　電機(jī)和電機(jī)控制器部件的溫度變化速度相對(duì)較慢.根據(jù)動(dòng)態(tài)和應(yīng)用要求,傳感電動(dòng)機(jī)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(shí)現(xiàn)對(duì)PMSM轉(zhuǎn)速的平穩(wěn)控制,必須精確測(cè)量電機(jī)軸角。測(cè)量結(jié)果的不準(zhǔn)確性會(huì)導(dǎo)致電動(dòng)機(jī)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(zhǔn)確性是至關(guān)重要的.

　　主要有兩種主要類(lèi)型的旋轉(zhuǎn)位置傳感器用于電機(jī)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(xué)或磁傳感機(jī)構(gòu)。光學(xué)編碼器提供高分辨率、快速運(yùn)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(chēng)贊的分辨率,快速運(yùn)行,并顯示出對(duì)環(huán)境因素,如塵埃,濕度,溫度波動(dòng),以及機(jī)械沖擊的異乎尋常的抵抗力。

　　絕對(duì)編碼器唯一突出的維護(hù)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(jìn)行位置驗(yàn)證,從而無(wú)需重置到家庭位置。從本質(zhì)上說(shuō),絕對(duì)編碼器的核心好處在于它能夠繞過(guò)對(duì)參考操作的需求,立即恢復(fù)其精確位置的位置。絕對(duì)編碼器的分辨率由其輸出數(shù)據(jù)中的比特?cái)?shù)決定。

　　增量編碼器在旋轉(zhuǎn)時(shí)產(chǎn)生一系列脈沖,脈沖計(jì)數(shù)顯示從已知位置的運(yùn)動(dòng)。與絕對(duì)編碼器不同的是,它們不追蹤或記住電源丟失時(shí)的準(zhǔn)確位置;相反,每次啟動(dòng)時(shí),它們都需要一個(gè)參考點(diǎn)或"家"點(diǎn)進(jìn)行校準(zhǔn)。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(jì)數(shù)指示距離移動(dòng)或位置變化。

　　絕對(duì)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(cè)量至關(guān)重要、啟動(dòng)"零化"步驟不切實(shí)際或不可取的應(yīng)用。

　　RS-422/485物理層標(biāo)準(zhǔn)由于其健壯的差動(dòng)信令,在工業(yè)環(huán)境中具有良好的抗噪聲性和可靠的遠(yuǎn)距離數(shù)據(jù)傳輸能力,因而受到絕對(duì)旋轉(zhuǎn)編碼器的青睞。除了RS-422/RS-485之外,還使用其他幾個(gè)物理層與絕對(duì)旋轉(zhuǎn)編碼器進(jìn)行通信。這些包括以太網(wǎng),CAN,模擬信號(hào)和有時(shí)USB用于配置和診斷。

　　同步、點(diǎn)對(duì)點(diǎn)、串行通信是一種數(shù)據(jù)傳輸方法,設(shè)備在兩個(gè)設(shè)備之間直接同步交換數(shù)據(jù),每次一個(gè)位。該協(xié)議遵守RS-485物理層標(biāo)準(zhǔn),確保強(qiáng)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(dòng)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(jì)了各種協(xié)議,為無(wú)縫實(shí)時(shí)交互提供了短周期時(shí)間。

　　分解器

　　電動(dòng)機(jī)解析器是用來(lái)測(cè)量電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子角位置的旋轉(zhuǎn)變壓器。它們由一個(gè)轉(zhuǎn)子和一個(gè)或多個(gè)定子繞組組成。當(dāng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí),它會(huì)在定子繞組中產(chǎn)生一個(gè)變化的電壓,可以解碼來(lái)確定軸的角位置。解析器以其耐久性著稱(chēng),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(lì)磁信號(hào)。當(dāng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí),由于轉(zhuǎn)子的角位置,該信號(hào)的相位和幅值相對(duì)于定子繞組的變化。這些繞組的輸出是正弦信號(hào),稱(chēng)為正弦和余弦輸出。這些信號(hào)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(jì)算出弧線(xiàn),從而推導(dǎo)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?jǐn)?shù)據(jù),以便由控制單元進(jìn)行進(jìn)一步處理。解析器是健壯的,不受某些類(lèi)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(jī)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(dòng)機(jī)操作中,測(cè)量的準(zhǔn)確性是至關(guān)重要的.模擬轉(zhuǎn)換器(ADC)在將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)進(jìn)行處理方面發(fā)揮著重要作用。在選擇ADC時(shí),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(lèi)型以及與預(yù)期應(yīng)用程序的信號(hào)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(gè)諧波分量的根平均平方和與一個(gè)完整輸入信號(hào)的rms值之間的比率。

　　信噪比 量化所需信號(hào)從噪音中脫穎而出的程度。信噪比在這里是動(dòng)態(tài)范圍的同義詞,在信號(hào)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(gè)附加參數(shù)是 信號(hào)到噪音+失真 ,通常稱(chēng)為 辛納德 .

　　在應(yīng)用程序中引入降低信噪比的幾個(gè)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?yàn)椴介L(zhǎng)較小,減少量化錯(cuò)誤。這對(duì)于精確的電動(dòng)機(jī)控制任務(wù)非常重要。

　　2. 熱噪音: 這種由電子的隨機(jī)運(yùn)動(dòng)引起的固有噪聲存在于所有的電子元件中,會(huì)影響ADC讀數(shù)的準(zhǔn)確性。

　　3. 電磁干擾: 電動(dòng)機(jī),特別是當(dāng)它們?cè)诟哳l率下切換時(shí),可以是EMI的來(lái)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(dòng)和來(lái)自電源的噪音會(huì)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(dāng)馬達(dá)和控制電子設(shè)備共享電源時(shí)。

　　5. 參考電壓噪音: ADC使用參考電壓來(lái)確定模擬信號(hào)的數(shù)字表示方式。如果這個(gè)基準(zhǔn)電壓是噪聲,它會(huì)影響信噪比。

　　6. 錯(cuò)配: 在電動(dòng)機(jī)控制的背景下,如果輸入信號(hào)(如電動(dòng)機(jī)的背電磁波)含有的頻率超過(guò)ADC采樣率的一半,則可能發(fā)生混疊。必須以適當(dāng)?shù)乃俣冗M(jìn)行采樣,并使用某種過(guò)濾來(lái)防止這種情況。

　　7. 顫抖: 不準(zhǔn)確的時(shí)間,特別是在ADC的采樣時(shí)鐘,可以引入錯(cuò)誤。在電動(dòng)機(jī)控制應(yīng)用程序中,通常會(huì)發(fā)生以時(shí)間為基礎(chǔ)的事件,如壓波M信號(hào),因此,最小化震動(dòng)變得至關(guān)重要。例如,當(dāng)位置樣本之間的時(shí)間間隔不一致時(shí)(由于顫抖),區(qū)分可以產(chǎn)生跳躍或計(jì)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(dǎo)致它采取不必要或過(guò)度的糾正行動(dòng)

　　8. 外部干預(yù): 除了電動(dòng)機(jī)本身的EMI之外,其他靠近的設(shè)備和系統(tǒng)也會(huì)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(jì)和布局可能會(huì)引入噪聲。適當(dāng)?shù)脑O(shè)計(jì)措施，包括解耦、屏蔽和接地，有助于盡量減少這種噪音。

　　10.串?dāng)_：在使用多個(gè)ADC信道的系統(tǒng)中，一個(gè)通道可以從另一個(gè)通道接收干擾。

　　11.另一個(gè)重要的度量標(biāo)準(zhǔn)是有效比特?cái)?shù)(ENOB)。當(dāng)輸入是一個(gè)正弦波時(shí)，ENOB測(cè)量分辨率。它是由SINAD計(jì)算出的，計(jì)算公式如下：ENOB = (SINAD dB – 1.76) / 6.02 (結(jié)果以位表示。)

　　(取樣率) 對(duì)于ADC來(lái)說(shuō),它描述的是ADC的最大采樣速率,或者它能夠?qū)⒛M輸入信號(hào)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(jī)動(dòng)控制單片機(jī)配備了12位,14位,甚至16位的自動(dòng)數(shù)據(jù)處理器,以提高電流和電壓測(cè)量的分辨率。受歡迎的單片機(jī)制造商,如STM32系列、德克薩斯儀器(C2000系列)、NXP(動(dòng)力學(xué)家)和微芯片(DSPIC,PIC32),將能夠同時(shí)對(duì)多個(gè)通道進(jìn)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(jī),用于精確的電流和電壓測(cè)量,消除共模噪聲。單片機(jī)ADCS通常通過(guò)采集多個(gè)連續(xù)樣本來(lái)實(shí)現(xiàn)過(guò)采樣,然后計(jì)算它們的平均值。

　　在選擇控制電動(dòng)機(jī)的ADC時(shí),總是考慮應(yīng)用的細(xì)節(jié)和電動(dòng)機(jī)操作的性質(zhì)。確保所選的ADC滿(mǎn)足準(zhǔn)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(shí)間和同步測(cè)量

　　電機(jī)控制器與主機(jī)系統(tǒng)(通常是PLC、PC或?qū)Ｓ每刂葡到y(tǒng))同步,以實(shí)時(shí)協(xié)調(diào)動(dòng)作控制任務(wù)。同步確保主機(jī)和電機(jī)控制器之間的命令、反饋和其他數(shù)據(jù)交換是及時(shí)和一致的。

　　有些通信協(xié)議允許跨設(shè)備的時(shí)鐘同步。這確保了主機(jī)和電機(jī)控制器是基于相同的時(shí)間參考運(yùn)行的。一個(gè)例子是在基于醚的系統(tǒng)中使用的精確時(shí)間協(xié)議(PTP)。

　　許多現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)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(jī)控制器。

　　有些系統(tǒng)使用專(zhuān)用的輸入/輸出信號(hào)進(jìn)行同步。當(dāng)外部主機(jī)系統(tǒng)提供專(zhuān)門(mén)的同步輸出信號(hào)時(shí),作為對(duì)電機(jī)控制器的輸入,當(dāng)務(wù)之急是電機(jī)控制器的內(nèi)部處理周期和所有的內(nèi)部采樣時(shí)鐘與此同步。

　　所有的測(cè)量活動(dòng),主要的處理中斷和壓水機(jī)輸出應(yīng)該與這個(gè)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?yàn)樗鼈兇_保輸出和輸入信號(hào)階段的同步。雖然許多微控制器帶有內(nèi)置的PLL,但對(duì)于基于fpga的系統(tǒng),人們可能需要將PLL作為IP。