工业电机控制系统计划

这篇工业电机操控概述侧重介绍了直流电机、无刷直流电机、沟通感应电机的差异及其子体系，深入分析了电流监测与丈量、温度检测子体系、电机速度、方位、位移检测体系、多通道电流和电压监测与操控以及带有编码器数据接口的高精度电机操控子体系。

电机耗费的能量简直占全球电力的50%.跟着动力本钱的继续上涨，业界开端选用微处理器调速驱动器代替功率低下的固定速率电机和驱动器，这种新式电机操控技能与传统驱动器比较，可以使能耗均匀下降30%以上。虽然调速电机进步了体系自身的本钱，可是，考虑到电机可以节约的能量以及所添加的功用，只需短短几年即可拯救开始的出资本钱。


图1

通用电机规划

直流电机、无刷直流和沟通感应电机是当今工业运用规划中最常见的电机。虽然每种类型的电机都有共同的功能，但根本作业原理类似。当一个导体通电时，例如线圈绕组，假如导体处于一个与其笔直的外部磁场内，导体将会遭到一个与自身和外部磁场笔直的力。

直流电机：低本钱和高精度驱动功能

直流电机是最早投入运用的电机类型，现在依然以低开发本钱和杰出的驱动功能得到遍及运用。在最简略的直流电机中，定子（即电机固定部件）为永久磁铁，转子（即电机的滚动部件）上环绕了电枢绕组，电枢绕组连接到机械换向开关，该开关操控绕组电流的导通和封闭。磁铁树立的磁通量与电枢电流相互效果，发生电磁扭矩，然后使电机做功。电机速度经过调整电枢绕组的直流电压进行操控。

依据具体运用的不同，可以选用全桥、半桥或一个简略的降压转化器驱动电枢绕组。这些转化器的开关经过脉宽调制（PWM）取得相应的电压。Maxim的高边或桥式驱动器%&&&&&%，例如：MAX15024/MAX15025，可以用来驱动全桥或半桥电路的FET.

直流电机还广泛用于对速度、精度要求很高的伺服体系。为了满意速度和精度的要求，根据微处理器的闭环操控和转子方位十分要害。Maxim的MAX9641霍尔传感器可以用于供给转子的方位信息。


图2工业电机操控体系典型电路框图。

沟通感应电机：简略、坚固耐用

沟通感应电机以简略、坚固耐用而著称，被广泛用于工业范畴。最简略的沟通电机便是一个变压器，原级电压连接到沟通电压源，次级短路承载感应电流。“感应”电机的称号源于“感应次级电流”。定子载有一个三相绕组，转子规划简略，一般被称为“鼠笼”，其间，两头的铜或铝棒经过铸铝环短路。由于没有转子绕组和碳刷，这种电机的规划十分牢靠。


图3感应电机的转子和定子

作业在60Hz电压时，感应电机恒速工作。可是，当选用电源电路和根据微处理器的体系时，可以操控电机速度改变。变速驱动器由逆变器、信号调度器和根据微处理器的操控器组成。逆变器选用三个半桥，顶部和底部切换以互补办法操控。Maxim供给多种半桥驱动器，如MAX15024/MAX15025，可独立操控顶部和底部FET.

准确丈量三相电机电流、转子方位及转速是对感应电机进行高效闭环操控的必要条件。Maxim供给多款高边和低边电流扩大器、霍尔传感器以及同步采样模/数转化器（ADC），可以在恶劣环境下准确丈量这些参数。

微处理器运用电流和方位数据发生三相桥路的逻辑信号。一种常见的闭环操控技能称为矢量操控，它消除了磁场电流矢量和定子磁通量之间的耦合，然后可以独立操控，供给更快的瞬态呼应。

无刷直流电机：高牢靠性和高输出功率

无刷直流（BLDC）电机既没有换向器也没有碳刷，相对于直流电机而言需求更少的保护。相对于感应电机或直流电机而言，平等标准的无刷直流电机能供给更大的输出功率。

BLDC电机的定子与感应电机的定子十分类似。可是，BLDC电机的转子可以选用不同方式，当然，都归于永久磁铁。气隙磁通量由磁铁固定，不受转子电流的影响。BLDC电机还需求必定方式的转子方位检测。一般运用定子中嵌入的霍尔器材检测转子方位。当转子的磁极经过霍尔传感器邻近时，会有一个信号指示经过的是北极仍是南极。Maxim供给多款霍尔传感器，如MAX9641，这些器材集成了两个霍尔传感器和数字逻辑电路，可供给磁场方位、方向输出，然后简化规划并下降体系本钱。

传感器、信号转化和数据接口的重要性

在电机操控环路中，有几种类型的传感器供给反应信息。这些传感器还用于检测或许损坏体系的毛病情况，然后进步体系牢靠性。以下章节具体介绍了传感器在电机操控中的效果，特别是电流检测扩大器、霍尔传感器和可变磁阻（VR）传感器。其它内容包含：运用高速模/数转化器（ADC）监测、操控多通道电流和电压，高精度电机操控所需的编码器数据接口等。

检测并监控电流优化电机操控

电流监测

电流是用于检测、监测并反应给电机操控环路的常见信号。运用电流检测扩大器可以轻松地准确监测体系流入、流出的电流。选用电流检测扩大器可以省去传感器，由于需求丈量的是电信号自身。电流检测扩大器可以检测短路和瞬态情况，并监测电源和电池反接毛病。

电流丈量

电流丈量有许多途径，但到现在为止，最常见的计划是选用检流电阻进行丈量。这种办法的根本原理是：运用根据运放的差分扩大器对检流电阻两头的电压进行扩大，然后丈量扩大后的电压信号。传统规划中一般选用分立器材。但分立计划存在一些缺陷，例如：需求匹配电阻、具有较差的温漂特性，并占用较大面积。走运的是，这些缺陷可以经过在规划中运用集成电流检测扩大器得以处理。扩大器不只丈量电流，还可以检测电流方向，具有较宽的共模规模，可以供给高精度丈量。

电流丈量可以选用低边检测（检测电阻与接地通路串联），也可以选用高边检测（检测电阻与前方串联）。低边检测中，电路的输入共模电压较低，输出电压以地为参阅，但低边电阻在接地通路添加了所不期望的外部电阻。高边检测中，负载接地，但高边电阻有必要接受相当大的共模信号。高边检测可以对毛病情况进行监测，例如，电机外壳或绕组对地短路。