工業(yè)電機控制系統(tǒng)方案
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圖4
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 （內置或外置檢流電阻），如MAX9918/MAX9919/MAX9920.器件的多樣性為設計提供極大靈活性，并簡化了各種ADC及其應用的器件選型。
電機速度、位置及位移檢測
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，能夠將數據傳送到系統(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)使用的霍爾器件數量與電機相數相同，并且霍爾器件的機械結構與電機每一相的電氣特性相關聯(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理電路，提供位置和方向輸出。
霍爾傳感器還能夠配合專用的霍爾傳感器接口產品使用，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把數據反饋給系統(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動。當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，從而導致線圈發(fā)生變化。當齒輪靠近傳感器時，磁通量達到最大值。當齒輪離開時，磁通量開始下降。旋轉齒輪會產生隨時間變化的磁通量，在線圈中感應產生成比例的電壓。隨后，電子電路對該信號進行處理，獲得一個更容易計數和定時的數字波形。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、提供準確的相位信息。
圖5
多通道電流、電壓的監(jiān)測與控制
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架構供設計人員選擇：使用多個單通道ADC，這種設計很難實現(xiàn)同步轉換時序；或者使用同步采樣ADC.同步采樣架構可以是單芯片封裝多路ADC，所有通道采用同一轉換觸發(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用器。同步采樣設計無需復雜的數字信號處理算法。
電機控制應用大多采用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)即可進行修復或在必要時關斷系統(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用，16位分辨率則是更為常見的標準。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。
圖6
帶有編碼器數據接口的高精度電機控制
電機控制精度取決于系統(tǒng)需求。有些應用對于精度的要求非常高，如工業(yè)機器人技術或灌裝生產線。例如，焊接機器人需要高速、高精度工作。同樣，灌裝生產線的電機必須精確控制，使瓶子能夠停留在正確的位置進行灌裝、上蓋、貼標簽。為了高精度地控制電機，必須確定轉子的速度、方向和位置。這些參數可以通過模擬傳感器進行監(jiān)測，如決策器、同步器、RVDT或旋轉電位計。采用類似于光編碼器和霍爾傳感器的編碼器可以獲得較高精度。編碼器為控制器提供增量和/或絕對的轉軸角度信息。
電機控制器計算轉子的當前速度和角度，通常由數字信號處理器（DSP）按照一定算法實現(xiàn)。它通過調整激勵獲得高效、最佳響應。這種反饋控制環(huán)路需要傳感器安全、可靠的信息支持，這種信息通常需要通過遠距離電纜從編碼器傳輸到控制器。
增量信息通常以正交信號形式傳輸至控制器，即兩個信號相位差為90°。這些信號可以是模擬形式（sine + cosine），也可以是二進制形式。而絕對位置信息僅以串行二進制數據流形式通過RS-482或RS-422總線傳輸。
由于工作環(huán)境惡劣，需要保證數據通道高度安全、可靠。差分信號成為高EMI環(huán)境的理想選擇。由于器件靠近電機工作，因此，還需要支持高溫環(huán)境。
Maxim提供全面的RS-485/RS-422和PROFIBUS接口器件，專為電機控制應用而設計。MAX14840E高速RS-485收發(fā)器等接口器件具備高度信號完整性和可靠性，滿足嚴格的安全控制需求和大型投資設備的開發(fā)周期需求。
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