在电动机控制测量中需要的相关传感器和参数介绍

电机控制中的反馈传感器包括追踪转子位置的位置传感器、测量电动机相位电流的电流传感器、监测直流总线电压的电压传感器和追踪热量的温度传感器。位置传感器,如解析器,以及电流传感器、电压传感器和温度传感器,输出模拟值必须转换成数字化使用模拟接口和ADC转换器。

电流传感器

控制系统中的当前测量通常使用两种方法完成 电阻器 或 人道效应传感器 ,取决于具体的硬件实现。

霍尔效应传感器可以测量电流而不直接与导体发生电接触,在测量电路和载流电路之间提供电隔离。可以测量交流和直流电流,他们可以处理范围广泛的电流,从非常小到非常大。有两种主要类型的影响传感器:开环霍尔效应电流传感器,它直接测量磁场而不反馈,提供简单性和成本效益;闭环霍尔效应电流传感器--常被称为补偿或零流体传感器--利用反馈绕组来抵消主磁场,从而在广泛范围内提高精度和线性。如果你的电动机控制应用要求高精度高带宽,而抗温度波动,闭环霍尔效应电流传感器往往是首选的选择。然而,总是要考虑到你的应用程序的具体要求和成本影响,因为闭环传感器可能比开环的对应方更昂贵。

通常比其他电流传感方法便宜的电阻器特别适合于测量低电流,在这种情况下,分流管上的电压降仍然在可测量的范围内,而且在空间受到限制的应用中也是如此。当决定在电动机控制应用中使用分流电阻时,总是考虑应用的具体要求。

展示了利用哈尔效应传感器和全微分、低功率、低噪声放大器进行电流传感的实例,这些放大器具有为驱动差动ADC而优化的铁路到轨道输出。使用差数或单端ADC的选择取决于应用程序和需求。使用差动ADC的主要优点包括具有紧密路由输入的抗噪声、消除共模噪声、在0V附近加倍动态范围、提高小电压信号的性能。

为了处理谐波和瞬态,该输出放大器的带宽应大大高于压波M频率,最好是在兆赫范围内。它应该具有低噪声特性和较高的共同模式排斥比(CMRR),以确保共模式信号,如来自压水机开关或其他噪声源的信号,被拒绝和不出现在差速器输出。适合于差动ADCS的电动机控制应用的OPS-AMPS包括具有铁路到轨道输入和输出功能的完全差动放大器,例如通过模拟装置实现的LTC6363和ADA4807,以及通过德克萨斯仪器实现的ths452x家族。

12位ADC通常用于许多通用应用程序,在分辨率、成本和复杂性之间提供合理的权衡。在精密电动机控制应用中,更精细的电流测量对控制精度至关重要,通常采用16位ADC。对大多数电动机控制应用来说,超过16比特通常是过度的。必须始终考虑整个信号链,从目前的传感器电阻或影响传感器,通过信号调节电路,到ADC本身。链条中最薄弱的环节决定着现实世界的分辨率和准确性。

直流总线电压感应

在许多应用程序中,直流总线电压相对稳定,而不同的是,它的电流波形变化很快。这意味着快速取样并不那么重要,因为数值变化得不太快。考虑到直流电压的相对稳定性,直流总线电压测量中的任何噪声或波动通常都可以通过平均或滤波来处理。这意味着为了获得一个稳定和准确的测量,不需要更高的分辨率的ADC。考虑到直流总线电源的储集电容器已经提供了显著的低通滤波效果,ADC主要捕捉稳定的直流电压和潜在的叠加高频噪声。一个中值滤波器,擅长从数据中消除零星的高频峰值,可以与低通滤波器(LP)一起使用。对于LP滤波器的截止频率可以设置为较低的,在10赫兹至50赫兹的范围内。一个简单的一级ii(无限脉冲响应)滤波器可以作为LP滤波器。

温度感应

各地点的温度监测对于确保设备的安全运行、最佳性能和延长其寿命至关重要。

以下是通常测量的临界温度(和位置):

· 电机绕组温度是最关键的温度测量之一。电机绕组过热会降低绝缘性能,导致电机过早失效。

· NTC热敏电阻器是电动机中最常用的温度传感器。然而,一些电动机配备了电阻温度检测器,如基于pt100/pt1000铂的半导体RTD。有些电动机只包含热开关或温控器,它们是放置在电动机绕组内或电动机外壳上的双金属温控开关。当达到特定温度时,这些开关可以打开或关闭电路以激活保护机制,例如停止电动机或触发报警。

· 电源开关设备(如GBts/MOSIFT)的连接温度。一些IGBT模块可能有集成温度传感器来监控连接温度。

· 温度

· 环境温度

· 带有液体冷却系统的电动机的冷却温度

· 单片机、DSP或FPGA等控制单元的连接温度

通过监测这些温度,操作员和控制系统可以就电动机的操作作出明智的决定,如果温度超过安全限度,可能会降低功率或关闭电动机。

IC温度传感器,通常是NTC热敏电阻器或RDS,有时嵌入在绕组中,或者放在很近的位置,以提供绕组温度的测量。它们提供与温度相应的数字或模拟输出。IC传感器因其易于集成、稳定和能够在像i2c或SPI这样的总线系统上进行通信而闻名。

电机和电机控制器部件的温度变化速度相对较慢.根据动态和应用要求,传感电动机温度的典型采样率可能从每几秒钟一次到每几分钟一次不等。

位置传感器

为了实现对PMSM转速的平稳控制,必须精确测量电机轴角。测量结果的不准确性会导致电动机不稳定、痉挛或电流消耗增加,从而可能损害PMSM。因此,位置读数的准确性是至关重要的.

主要有两种主要类型的旋转位置传感器用于电机控制应用:编码器和解析器。

旋转编码器

旋转编码器主要采用光学或磁传感机构。光学编码器提供高分辨率、快速运行速度和可靠的性能在各种环境中。相反,磁编码器在更健壮的情况下更受青睐,提供值得称赞的分辨率,快速运行,并显示出对环境因素,如尘埃,湿度,温度波动,以及机械冲击的异乎寻常的抵抗力。

绝对编码器唯一突出的维护位置记忆,即使在缺乏权力。此功能确保在恢复电源后立即进行位置验证,从而无需重置到家庭位置。从本质上说,绝对编码器的核心好处在于它能够绕过对参考操作的需求,立即恢复其精确位置的位置。绝对编码器的分辨率由其输出数据中的比特数决定。

增量编码器在旋转时产生一系列脉冲,脉冲计数显示从已知位置的运动。与绝对编码器不同的是,它们不追踪或记住电源丢失时的准确位置;相反,每次启动时,它们都需要一个参考点或"家"点进行校准。增量编码器的主要输出是一系列脉冲流,其频率指示速度,脉冲计数指示距离移动或位置变化。

绝对旋转编码器提供关于转子位置的高分辨率反馈,它们被用于精确测量至关重要、启动"零化"步骤不切实际或不可取的应用。

RS-422/485物理层标准由于其健壮的差动信令,在工业环境中具有良好的抗噪声性和可靠的远距离数据传输能力,因而受到绝对旋转编码器的青睐。除了RS-422/RS-485之外,还使用其他几个物理层与绝对旋转编码器进行通信。这些包括以太网,CAN,模拟信号和有时USB用于配置和诊断。

同步、点对点、串行通信是一种数据传输方法,设备在两个设备之间直接同步交换数据,每次一个位。该协议遵守RS-485物理层标准,确保强大和可靠的通信,即使在有潜在干扰的工业环境中也是如此。同步通信确保反馈和命令数据与驱动器的控制周期一致。

为便利编码器和控制器之间的通信,设计了各种协议,为无缝实时交互提供了短周期时间。

分解器

电动机解析器是用来测量电动机转子角位置的旋转变压器。它们由一个转子和一个或多个定子绕组组成。当转子转动时,它会在定子绕组中产生一个变化的电压,可以解码来确定轴的角位置。解析器以其耐久性著称,能够经受恶劣的环境,并经常被发现在高可靠性和健壮性是必不可少的应用,如航空航天和工业环境。与提供数字反馈的编码器不同,解析器提供模拟反馈,它们的输出需要在数字控制系统中使用转换。

向转子输入正弦励磁信号。当转子转动时,由于转子的角位置,该信号的相位和幅值相对于定子绕组的变化。这些绕组的输出是正弦信号,称为正弦和余弦输出。这些信号的幅值分别与转子角位置的正弦和余弦成正比。为了确定转子的角度,控制器或接口电路通常采用UCOS输出与UCO输出的比率,并计算出弧线,从而推导出角的位置。由于解析器提供模拟反馈,通常使用ADC将模拟信息转换为数字数据,以便由控制单元进行进一步处理。解析器是健壮的,不受某些类型的噪音和干扰的影响,能够在数字传感器(如编码器)可能失效的恶劣环境中可靠地工作。

应用於电机控制系统的关键参数

在控制系统中,特别是在电动机操作中,测量的准确性是至关重要的.模拟转换器(ADC)在将模拟信号转换为数字数据进行处理方面发挥着重要作用。在选择ADC时,必须考虑它的分辨率、采样率、精度、噪声性能、输入范围、耗电量、接口类型以及与预期应用程序的信号频率和处理要求的兼容性。

一些重要的参数,如TCD,信噪比,Enob和吞吐量解释如下。

全谐波失真 是一种用db表示的度量,表示初始五个谐波分量的根平均平方和与一个完整输入信号的rms值之间的比率。

信噪比 量化所需信号从噪音中脱颖而出的程度。信噪比在这里是动态范围的同义词,在信号处理和电子环境中,指的是变化量的最大值和最小值之间的比率。与ADC信噪比密切相关的一个附加参数是 信号到噪音+失真 ,通常称为 辛纳德 .

在应用程序中引入降低信噪比的几个关键因素。

1. 量化噪音: 与ADC的分辨率直接相关。ADC中较高的位数将提供更好的信噪比,因为步长较小,减少量化错误。这对于精确的电动机控制任务非常重要。

2. 热噪音: 这种由电子的随机运动引起的固有噪声存在于所有的电子元件中,会影响ADC读数的准确性。

3. 电磁干扰: 电动机,特别是当它们在高频率下切换时,可以是EMI的来源。这种干扰可以连接到ADCS和其他敏感电子元件,影响他们的信噪比。

4. 电源噪音: 电压波动和来自电源的噪音会影响ADC的读数。保持稳定的电源供应是至关重要的,尤其是当马达和控制电子设备共享电源时。

5. 参考电压噪音: ADC使用参考电压来确定模拟信号的数字表示方式。如果这个基准电压是噪声,它会影响信噪比。

6. 错配: 在电动机控制的背景下,如果输入信号(如电动机的背电磁波)含有的频率超过ADC采样率的一半,则可能发生混叠。必须以适当的速度进行采样,并使用某种过滤来防止这种情况。

7. 颤抖: 不准确的时间,特别是在ADC的采样时钟,可以引入错误。在电动机控制应用程序中,通常会发生以时间为基础的事件,如压波M信号,因此,最小化震动变得至关重要。例如,当位置样本之间的时间间隔不一致时(由于颤抖),区分可以产生跳跃或计算速度的峰值。这些跳跃可能被控制器误解为速度的快速变化,导致它采取不必要或过度的纠正行动

8. 外部干预: 除了电动机本身的EMI之外,其他靠近的设备和系统也会引入影响ADC输入的干扰。

9. 电路噪声：具有ADC电路的PCB的设计和布局可能会引入噪声。适当的设计措施，包括解耦、屏蔽和接地，有助于尽量减少这种噪音。

10.串扰：在使用多个ADC信道的系统中，一个通道可以从另一个通道接收干扰。

11.另一个重要的度量标准是有效比特数(ENOB)。当输入是一个正弦波时，ENOB测量分辨率。它是由SINAD计算出的，计算公式如下：ENOB = (SINAD dB – 1.76) / 6.02 (结果以位表示。)

(取样率) 对于ADC来说,它描述的是ADC的最大采样速率,或者它能够将模拟输入信号转换为数字输出的速度。它通常用"每秒公斤样品"表示。

许多机动控制单片机配备了12位,14位,甚至16位的自动数据处理器,以提高电流和电压测量的分辨率。受欢迎的单片机制造商,如STM32系列、德克萨斯仪器(C2000系列)、NXP(动力学家)和微芯片(DSPIC,PIC32),将能够同时对多个通道进行采样的高采样率的ADCS集成在一起。此外,还有以差速器为特征的单片机,用于精确的电流和电压测量,消除共模噪声。单片机ADCS通常通过采集多个连续样本来实现过采样,然后计算它们的平均值。

在选择控制电动机的ADC时,总是考虑应用的细节和电动机操作的性质。确保所选的ADC满足准确性、速度和应用程序特定上下文中其他相关参数的要求。

控制系统中的时间和同步测量

电机控制器与主机系统(通常是PLC、PC或专用控制系统)同步,以实时协调动作控制任务。同步确保主机和电机控制器之间的命令、反馈和其他数据交换是及时和一致的。

有些通信协议允许跨设备的时钟同步。这确保了主机和电机控制器是基于相同的时间参考运行的。一个例子是在基于醚的系统中使用的精确时间协议(PTP)。

许多现场总线和工业以太网协议(以太网、PROFIBUS、普罗菲内特、电力链路、塞科斯III、以太网/IP)支持循环数据交换,其中的数据是按预定的固定间隔读取或写入电机控制器。

有些系统使用专用的输入/输出信号进行同步。当外部主机系统提供专门的同步输出信号时,作为对电机控制器的输入,当务之急是电机控制器的内部处理周期和所有的内部采样时钟与此同步。

所有的测量活动,主要的处理中断和压水机输出应该与这个系统周期协调.在这种情况下,锁相循环(PLL)至关重要,因为它们确保输出和输入信号阶段的同步。虽然许多微控制器带有内置的PLL,但对于基于fpga的系统,人们可能需要将PLL作为IP。