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傳感器和數(shù)據(jù)接口在工業(yè)控制中的重要性
在電機(jī)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(cè)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(xì)介紹了傳感器在電機(jī)控制中的作用，特別是電流檢測(cè)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(cè)、控制多通道電流和電壓，高精度電機(jī)控制所需的編碼器數(shù)據(jù)接口等。
電流是用于檢測(cè)、監(jiān)測(cè)并反饋給電機(jī)控制環(huán)路的常見信號(hào)。利用電流檢測(cè)放大器可以輕松地精確監(jiān)測(cè)系統(tǒng)流入、流出的電流。采用電流檢測(cè)放大器可以省去傳感器，因?yàn)樾枰獪y(cè)量的是電信號(hào)本身。電流檢測(cè)放大器能夠檢測(cè)短路和瞬態(tài)狀況，并監(jiān)測(cè)電源和電池反接故障。
電流測(cè)量有很多渠道，但截至目前為止，常見的方案是采用檢流電阻進(jìn)行測(cè)量。這種方法的基本原理是：利用基于運(yùn)放的差分放大器對(duì)檢流電阻兩端的電壓進(jìn)行放大，然后測(cè)量放大后的電壓信號(hào)。傳統(tǒng)設(shè)計(jì)中通常采用分立器件。但分立方案存在一些缺點(diǎn)，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(yùn)的是，這些缺點(diǎn)可以通過在設(shè)計(jì)中使用集成電流檢測(cè)放大器得以解決。放大器不僅測(cè)量電流，還可以檢測(cè)電流方向，具有較寬的共*圍，能夠提供高精度測(cè)量。
電流測(cè)量可以采用低邊檢測(cè)(檢測(cè)電阻與接地通路串聯(lián))，也可以采用高邊檢測(cè)(檢測(cè)電阻與火線串聯(lián))。低邊檢測(cè)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(cè)中，負(fù)載接地，但高邊電阻必須承受相當(dāng)大的共模信號(hào)。高邊檢測(cè)能夠?qū)收蠣顟B(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，例如，電機(jī)外殼或繞組對(duì)地短路。
高邊電流檢測(cè)放大器，如MAX4080/MAX4081，將檢流電阻放置在電源正端和被監(jiān)測(cè)電路的電源輸入之間。這種設(shè)計(jì)沒有在地通道引入外接電阻，大大簡(jiǎn)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(cè)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(jì)提供極大靈活性，并簡(jiǎn)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(jī)速度、位置和方向的檢測(cè)。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(jìn)行實(shí)時(shí)反饋。傳感器還可檢測(cè)并報(bào)告任何形式的電機(jī)中斷故障，從而采取相應(yīng)措施。檢測(cè)運(yùn)動(dòng)方向通常需要兩個(gè)霍爾傳感器。
若系統(tǒng)使用的霍爾器件數(shù)量與電機(jī)相數(shù)相同，并且霍爾器件的機(jī)械結(jié)構(gòu)與電機(jī)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(hào)調(diào)理電路，提供位置和方向輸出?；魻杺鞲衅鬟€能夠配合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(hù)、對(duì)霍爾傳感器的吸收電流進(jìn)行檢測(cè)并濾波，以及故障診斷和保護(hù)。
與機(jī)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(cè)的是磁鐵或電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)，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(dòng)、灰塵和高溫會(huì)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(cè)電機(jī)工作并通過一個(gè)接口IC把數(shù)據(jù)反饋給系統(tǒng)。也可以在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(gè)線圈檢測(cè)電機(jī)的速度和轉(zhuǎn)動(dòng)。當(dāng)電機(jī)上安裝的齒輪進(jìn)入磁場(chǎng)時(shí)，磁場(chǎng)的磁通量將會(huì)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(shí)，磁通量達(dá)到大值。當(dāng)齒輪離開時(shí)，磁通量開始下降。旋轉(zhuǎn)齒輪會(huì)產(chǎn)生隨時(shí)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(duì)該信號(hào)進(jìn)行處理，獲得一個(gè)更容易計(jì)數(shù)和定時(shí)的數(shù)字波形。集成VR傳感器接口方案相對(duì)于其它方案具有很多優(yōu)勢(shì)，其中包括：提高抗干擾能力、提供準(zhǔn)確的相位信息。
監(jiān)測(cè)、控制電機(jī)時(shí)，需要測(cè)量多個(gè)電流和電壓信號(hào)，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(jì)人員選擇：使用多個(gè)單通道ADC，這種設(shè)計(jì)很難實(shí)現(xiàn)同步轉(zhuǎn)換時(shí)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(shí)，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(jì)無需復(fù)雜的數(shù)字信號(hào)處理算法。
電機(jī)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(cè)電機(jī)的工作狀況，提供任何故障或潛在險(xiǎn)情的報(bào)警指示。一旦發(fā)現(xiàn)故障征兆，系統(tǒng)即可進(jìn)行修復(fù)或在必要時(shí)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(jī)控制應(yīng)用對(duì)于動(dòng)態(tài)測(cè)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(duì)于更精密的電機(jī)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(dòng)態(tài)范圍。Maxim提供適合各種電機(jī)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。