工业电机控制系统设计典型方案详解.PDF

工业电机控制系统设计典型方案详解 摘要：电机消耗的能量几乎占全球电力的50%.随着能源成本的持续上涨，业内开始采用微处理器调速 驱动器替代效率低下的固定速率电机和驱动器，这种新型电机控制技术与传统驱动器相比，能够使能耗平 均降低30%以上。虽然调速电机提高了系统本身的成本，但是，考虑到电机能够节省的能量以及所增加的 功能，只需短短几年即可挽回最初的投资成本。 通用电机设计 直流电机、无刷直流和交流感应电机是当今工业应用设计中最常见的电机。尽管每种类型的电机都有 独特的性能，但基本工作原理类似。当一个导体通电时，例如线圈绕组，如果导体处于一个与其垂直的外 部磁场内，导体将会受到一个与自身和外部磁场垂直的力。 直流电机：低成本和高精度驱动性能 直流电机是最先投入使用的电机类型，目前仍然以低开发成本和卓越的驱动性能得到普遍应用。在最 简单的直流电机中，定子 （即电机固定部件）为永久磁铁，转子 （即电机的转动部件）上缠绕了电枢绕组， 电枢绕组连接到机械换向开关，该开关控制绕组电流的导通和关闭。磁铁建立的磁通量与电枢电流相互作 用，产生电磁扭矩，从而使电机做功。电机速度通过调整电枢绕组的直流电压进行控制。 根据具体应用的不同，可以采用全桥、半桥或一个简单的降压转换器驱动电枢绕组。这些转换器的开 关通过脉宽调制（PWM）获得相应的电压。Maxim的高边或桥式驱动器IC，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系统。为了满足速度和精度的要求，基于微处理器 的闭环控制和转子位置非常关键。Maxim的MAX9641霍尔传感器能够用于提供转子的位置信息。 交流感应电机：简单、坚固耐 交流感应电机以简单、坚固耐用而著称，被广泛用于工业领域。最简单的交流电机就是一个变压器， 原级电压连接到交流电压源，次级短路承载感应电流。 “感应”电机的名称源于“感应次级电流”。定子 载有一个三相绕组，转子设计简单，通常被称为 “鼠笼”，其中，两端的铜或铝棒通过铸铝环短路。由于 没有转子绕组和碳刷，这种电机的设计非常可靠。 工作在60Hz 电压时，感应电机恒速运转。然而，当采用电源电路和基于微处理器的系统时，可以控 制电机速度变化。变速驱动器由逆变器、信号调理器和基于微处理器的控制器组成。逆变器采用三个半桥， 顶部和底部切换以互补方式控制。Maxim提供多种半桥驱动器，如MAX15024/MAX15025，可独立控制顶 部和底部FET。 精确测量三相电机电流、转子位置及转速是对感应电机进行高效闭环控制的必要条件。Maxim提供多 款高边和低边电流放大器、霍尔传感器以及同步采样模/数转换器（ADC），能够在恶劣环境下精确测量这 些参数。 微处理器利用电流和位置数据产生三相桥路的逻辑信号。一种常见的闭环控制技术称为矢量控制，它 消除了磁场电流矢量和定子磁通量之间的耦合，从而能够独立控制，提供更快的瞬态响应。 无刷直流电机：高可靠性和高输出功率 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要更少的维护。相对于感 应电机或直流电机而言，同等规格的无刷直流电机能提供更大的输出功率。 BLDC 电机的定子与感应电机的定子非常相似。但是，BLDC 电机的转子可以采用不同形式，当然， 都属于永久磁铁。气隙磁通量由磁铁固定，不受转子电流的影响。BLDC 电机还需要一定形式的转子位置 检测。通常利用定子中嵌入的霍尔器件检测转子位置。当转子的磁极经过霍尔传感器附近时，会有一个信 号指示通过的是北极还是南极。Maxim提供多款霍尔传感器，如MAX9641，这些器件集成了两个霍尔传 感器和数字逻辑电路，可提供磁场位置、方向输出，从而简化设计并降低系统成本。 传感器、信号转换和数据接口的重要性 在电机控制环路中，有几种类型的传感器提供反馈信息。这些传感器还用于检测可能损坏系统的故障 状态，从而提高系统可靠性。以下章节详细介绍了传感器在电机控制中的作用，特别是电流检测放大器、 霍尔传感器和可变磁阻（V ）传感器。其它内容包括：利用高速模/数转换器（ADC）监测、控制多通道 电流和电压，高精度电机控制所需的编码器数据接口等。 检测并监控电流优化电机控制 电流监测 电流是用于检测、监测并反馈给电机控制环路的常见信号。利用电流检测放大器可以轻松地精确监测 系统流入、流出的电流。采用电流检测放大器可以省去传感器，因为需要测量的是电信号本身。电流检测