?引言?
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電機消耗的能量幾乎占全球電力的50%。隨著能源成本的持續(xù)上漲,業(yè)內(nèi)開始采用微處理器調(diào)速驅(qū)動器替代效率低下的固定速率電機和驅(qū)動器,這種新型電機控制技術(shù)與傳統(tǒng)驅(qū)動器相比,能夠使能耗平均降低30%以上。雖然調(diào)速電機提高了系統(tǒng)本身的成本,但是,考慮到電機能夠節(jié)省的能量以及所增加的功能,只需短短幾年即可挽回最初的投資成本。?
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通用電機設(shè)計?
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直流電機、無刷直流和交流感應(yīng)電機是當今工業(yè)應(yīng)用設(shè)計中最常見的電機。?
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直流電機:低成本和高精度驅(qū)動性能?
直流電機是最先投入使用的電機類型,目前仍然以低開發(fā)成本和卓越的驅(qū)動性能得到普遍應(yīng)用。在最簡單的直流電機中,定子(即電機固定部件)為永久磁鐵,轉(zhuǎn)子(即電機的轉(zhuǎn)動部件)上纏繞了電樞繞組,電樞繞組連接到機械換向開關(guān),該開關(guān)控制繞組電流的導(dǎo)通和關(guān)閉。磁鐵建立的磁通量與電樞電流相互作用,產(chǎn)生電磁扭矩,從而使電機做功。電機速度通過調(diào)整電樞繞組的直流電壓進行控制。根據(jù)具體應(yīng)用的不同,可以采用全橋、半橋或一個簡單的降壓轉(zhuǎn)換器驅(qū)動電樞繞組。這些轉(zhuǎn)換器的開關(guān)實現(xiàn)脈寬調(diào)制(PWM),從而獲得相應(yīng)的電壓。Maxim的高邊或橋式驅(qū)動器IC,如:MAX15024/MAX15025,可以用來驅(qū)動全橋或半橋電路的PET。直流電機還廣泛用于對速度、精度要求很高的伺服系統(tǒng)。為了滿足速度和精度的要求,基于微處理器的閉環(huán)控制和轉(zhuǎn)子位置非常關(guān)鍵。Maxim的MAX9641霍爾傳感器能夠用于提供轉(zhuǎn)子的位置信息。?
交流感應(yīng)電機:簡單、堅固耐用?
交流感應(yīng)電機以簡單、堅固耐用而著稱,被廣泛用于工業(yè)領(lǐng)域。最簡單的交流電機就是一個變壓器,原級電壓連接到交流電壓源,次級短路承載感應(yīng)電流?!案袘?yīng)”電機的名稱源于“感應(yīng)次級電流”。定子載有一個三相繞組,轉(zhuǎn)子設(shè)計簡單,通常被稱為“鼠籠”,其中,兩端的銅或鋁棒通過鑄鋁環(huán)短路。由于沒有轉(zhuǎn)子繞組和碳刷,這種電機的設(shè)計非??煽俊9ぷ髟?0Hz電壓時,感應(yīng)電機恒速運轉(zhuǎn)。然而,當采用電源電路和基于微處理器的系統(tǒng)時,可以控制電機速度變化。變速驅(qū)動器由逆變器、信號調(diào)理器和基于微處理器的控制器組成。逆變器采用三個半橋,頂部和底部切換以互補方式控制。Maxim提供多種半橋驅(qū)動器,如MAX15024/M2LX15025,可獨立控制頂部和底部FET。?
精確測量三相電機電流、轉(zhuǎn)子位置及轉(zhuǎn)速是對感應(yīng)電機進行高效閉環(huán)控制的必要條件。Maxim提供多款高邊和低邊電流放大器、霍爾傳感器以及同步采樣ADC,能夠在惡劣環(huán)境下精確測量這些參數(shù)。微處理器利用電流和位置數(shù)據(jù)產(chǎn)生三相橋路的邏輯信號。一種常見的閉環(huán)控制技術(shù)稱為矢量控制,它消除了磁場電流矢量和定子磁通量之間的耦合,從而能夠獨立控制,提供更快的瞬態(tài)響應(yīng)。?
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無刷直流電機:高可靠性和高輸出功率?
無刷直流(BLDC)電機既沒有換向器也沒有碳刷,相對于直流電機而言需要更少的維護。相對于感應(yīng)電機或直流電機而言,同等規(guī)格的無刷直流電機能提供更大的輸出功率。BLDC電機的定子與感應(yīng)電機的定子非常相似。但是,BLDC電機的轉(zhuǎn)子可以采用不同形式,當然,都屬于永久磁鐵。氣隙磁通量由磁鐵固定。不受轉(zhuǎn)子電流的影響。BLDC電機還需要一定形式的轉(zhuǎn)子位置檢測。通常利用定子中嵌入的霍爾器件檢測轉(zhuǎn)子位置。當轉(zhuǎn)子的磁極經(jīng)過霍爾傳感器附近時,會有一個信號指示通過的是北極還是南極。Maxim提供多款霍爾傳感器,如MAX9641,這些器件集成了兩個霍爾傳感器和數(shù)字邏輯電路,可提供磁場位置、方向輸出,從而簡化設(shè)計并降低系統(tǒng)成本。?
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傳感器,信號轉(zhuǎn)換和數(shù)據(jù)接口的重要性?
在電機控制環(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可能損壞系統(tǒng)的故障狀態(tài),從而提高系統(tǒng)可靠性。下面介紹傳感器在電機控制中的作用,特別是電流檢測放大器、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ADC監(jiān)測、控制多通道電流和電壓,高精度電機控制所需的編碼器數(shù)據(jù)接口等。?
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電流監(jiān)測?
電流是用于監(jiān)控并反饋給電機控制環(huán)路的常見信號。利用電流檢測放大器可以輕松地精確監(jiān)測系統(tǒng)流入、流出的電流。采用電流檢測放大器可以省去傳感器,因為需要測量的是電信號本身。電流檢測放大器能夠檢測短路和瞬態(tài)狀況,并監(jiān)測電源和電池反接故障。?
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電流測量?
電流測量有很多渠道,但截至目前為止,最常見的方案是采用檢流電阻進行測量。這種方法的基本原理是:利用基于運放的差分放大器對檢流電阻兩端的電壓進行放大,然后測量放大后的電壓信號。傳統(tǒng)設(shè)計中通常采用分立器件。但分立方案存在一些缺點,例如:需要匹配電阻、具有較差的溫漂特性,并占用較大面積。幸運的是,這些缺點可以通過在設(shè)計中使用集成電流檢測放大器得以解決。放大器不僅測量電流,還可以檢測電流方向,具有較寬的共模范圍,能夠提供高精度測量。電流測量可以采用低邊檢測(檢測電阻與接地通路串聯(lián)),也可以采用高邊檢測(檢測電阻與火線串聯(lián))。低邊檢測中,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。高邊檢測中,負載接地,但高邊電阻必須承受相當大的共模信號。高邊檢測能夠?qū)收蠣顟B(tài)進行監(jiān)測,例如,電機外殼或繞組對地短路。?
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(shè)計消除了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,如MAX9918-MAX9920。器件的多樣性為設(shè)計提供極大靈活性,并簡化了各種ADc及其應(yīng)用的器件選型。MAX9918/MAX9919/MAX9920是輸入范圍為,20v至+75v的電流檢測放大器。這些器件能夠在惡劣環(huán)境下支持單向/雙向電流檢測(圖2),這種環(huán)境下,輸入共模范圍可能為負值。單向/雙向電流檢測相結(jié)合,能夠測量系統(tǒng)的充電電流和放電電流。單電源供電,大大節(jié)省系統(tǒng)的總體成本。
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