工業(yè)運動控制涵蓋一系列應(yīng)用，包括基于逆變器的風(fēng)扇或泵控制、具有更為復(fù)雜的交流驅(qū)動控制的工廠自動化以及高級自動化應(yīng)用（如具有高級伺服控制的機器人）。這些系統(tǒng)需要檢測和反饋多個變量，例如電機繞組電流或電壓、直流鏈路電流或電壓、轉(zhuǎn)子位置和速度。在諸如增值功能（如狀態(tài)監(jiān)控）等考慮因素中，終端應(yīng)用需求、系統(tǒng)架構(gòu)、目標(biāo)系統(tǒng)成本或系統(tǒng)復(fù)雜度將決定變量的選擇和所需的測量精度。據(jù)報道，電機占全球總能耗的40%，國際法規(guī)越來越注重整個工業(yè)運動應(yīng)用的系統(tǒng)效率，因此，這些變量越來越重要，特別是電流和電壓。
本文將根據(jù)電機額定功率、系統(tǒng)性能要求以及終端應(yīng)用，重點討論各種電機控制信號鏈拓?fù)渲械碾娏髋c電壓檢測。在此情況下，電機控制信號鏈的實現(xiàn)會因傳感器選擇、電流隔離要求、模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）選擇、系統(tǒng)集成以及系統(tǒng)功耗和接地劃分的不同而有所差異。
圖1 工業(yè)驅(qū)動應(yīng)用圖譜
工業(yè)驅(qū)動器應(yīng)用圖譜
從簡單的逆變器到復(fù)雜的伺服驅(qū)動器，電機控制應(yīng)用涵蓋一系列電機類型，但所有電機均包含特定功率級的電機控制系統(tǒng)，以及具有不同級別的檢測和反饋，可驅(qū)動脈沖寬度調(diào)制器（PWM）模塊的處理器。圖1為應(yīng)用圖譜的簡化圖，展示了復(fù)雜度從左至右逐步提高的各種系統(tǒng)，首先是簡單的控制系統(tǒng)，如無需精密反饋僅使用簡單微處理器即可實現(xiàn)的泵、風(fēng)扇和壓縮機。隨著系統(tǒng)復(fù)雜度的提高（即移向圖譜的較高端），復(fù)雜控制系統(tǒng)要求精確反饋和高速通信接口。例如帶傳感器或不帶傳感器的矢量控制感應(yīng)電機或永磁電機，以及針對圖1中所示效率而設(shè)計的高功率工業(yè)驅(qū)動器（如大型泵、風(fēng)扇和壓縮機）。圖譜的最高端為復(fù)雜的伺服驅(qū)動器，用于機器人、機床以及貼片機器等應(yīng)用。隨著系統(tǒng)復(fù)雜度的提高，變量的檢測和反饋變得越來越關(guān)鍵。
驅(qū)動器架構(gòu)系統(tǒng)劃分
我們在設(shè)計滿足各種工業(yè)運動控制應(yīng)用需求的系統(tǒng)時可能會遇到各種問題。通用電機控制信號鏈如圖2所示。
圖2 通用電機控制信號鏈
隔離要求非常重要，通常對產(chǎn)生的電路拓?fù)浜图軜?gòu)具有顯著影響。需要考慮兩個關(guān)鍵因素：隔離的原因和位置。
隔離分類的要求取決于前者。可能要求高壓安全隔離（SELV）以防電擊，或功能隔離以便在非致命電壓之間進行電平轉(zhuǎn)換，或為實現(xiàn)數(shù)據(jù)完整性并消除噪音而要求進行隔離。隔離位置通常由系統(tǒng)的預(yù)期性能決定。電機控制通常是在充滿電噪聲的惡劣環(huán)境中進行，采用的設(shè)計通常需承受數(shù)百伏的共模電壓，可能會在超過20 kHz的頻率下切換，并具有極高的瞬態(tài)dv/dt上升時間。為此，性能較高的系統(tǒng)和固有噪聲較高的大功率系統(tǒng)通常會設(shè)計為具有與控制級相隔離的功率級。無論是采用單處理器還是雙處理器設(shè)計都會影響隔離位置。在性能較低的低功耗系統(tǒng)中，通常是在數(shù)字通信接口上進行隔離，這意味著功率級和控制級處于同一電位。低端系統(tǒng)需隔離的通信接口帶寬較低。由于高端系統(tǒng)要求具有較高帶寬，且傳統(tǒng)隔離技術(shù)具有局限性，因此，隔離高端系統(tǒng)的通信端口通常會比較困難。但是隨著磁性隔離的CAN和RS-485收發(fā)器產(chǎn)品（如www.analog.com/icoupler上ADI公司的產(chǎn)品）的問世，情況正在發(fā)生變化。
在高性能閉環(huán)電機控制設(shè)計中，兩個關(guān)鍵的元件構(gòu)成為PWM調(diào)制器輸出和電機相位電流反饋。圖3a和圖3b展示了需要進行安全隔離的位置，具體位置取決于控制級是與功率級共享相同的電位還是以接地為基準(zhǔn)。無論何種情況，高端柵極驅(qū)動器和電流檢測節(jié)點都需要隔離，但是圖3a中的隔離等級不同，這些節(jié)點只需進行功能隔離，而在圖3b中，這些節(jié)點的人員安全隔離（即電流隔離）至關(guān)重要。
電流和電壓檢測的測量技術(shù)與拓?fù)?/p>
除上文所述的系統(tǒng)功率和接地劃分外，為檢測電流和電壓而實現(xiàn)的信號鏈還會因傳感器選擇、電流隔離要求、ADC選擇以及系統(tǒng)集成的不同而有所差異。為實現(xiàn)高保真測量而進行的信號調(diào)理并非易事。例如，在如此嘈雜的環(huán)境中恢復(fù)小信號或傳送數(shù)字信號就非常具有挑戰(zhàn)性，而隔離模擬信號則是更大的挑戰(zhàn)。在許多情況下，信號隔離電路會引起相位延遲使得系統(tǒng)動態(tài)性能受限的。相位電流檢測尤其困難，因為該節(jié)點連接的電路節(jié)點與功率級（逆變器模塊）核心中的柵極驅(qū)動器輸出的節(jié)點相同，因此在隔離電源和開關(guān)瞬變方面的需求也相同。通常根據(jù)以下三個關(guān)鍵因素來確定需在電機控制系統(tǒng)中實施的測量信號鏈（技術(shù)、信號調(diào)理和ADC）：
1.決定測量需求的系統(tǒng)中的點或節(jié)點。
2.電機功率水平以及最終選擇的傳感器（本身是否具有隔離功能）。傳感器選擇在很大程度上影響著ADC的選擇，包括轉(zhuǎn)換器架構(gòu)、功能以及模擬輸入范圍。
3終端應(yīng)用。這可推動檢測信號鏈中對高分辨率、精度或速度的需要。例如，在較大的速度范圍內(nèi)實現(xiàn)不帶傳感器的控制要求進行更多、更頻繁、更精確的測量。終端應(yīng)用還會影響對ADC功能的要求。例如，多軸控制可能需要通道數(shù)更高的ADC.
電流和電壓傳感器
電機控制中最常用的電流傳感器為分流電阻、霍爾效應(yīng)（HE）傳感器以及電流互感器（CT）。雖然分流電阻具有隔離功能且會在電流較高時出現(xiàn)損耗，但是它們是所有傳感器中最具線性、成本最低且適用于交流和直流測量的傳感器。為限制分流功率損耗的信號電平衰減通常將分流應(yīng)用限制為50 A或更低。CT傳感器和HE傳感器可提供固有的隔離，因此能夠用于電流較高的系統(tǒng)。但是它們的成本更高，并且采用此類傳感器的解決方案在精度上不及采用分流電阻的解決方案，這是由于此類傳感器本身的初始精度較差或者在溫度方面的精度較差。
圖3b 以接地為基準(zhǔn)的控制級
除傳感器類型外，還有許多可選的電機電流測量節(jié)點。平均直流鏈路電流即可滿足控制需求，但是在更高級的驅(qū)動器中，電機繞組電流用作主反饋變量。直接相位繞組電流測量是理想的選擇，可用于高性能系統(tǒng)。然而，在每個低位逆變器引腳上使用分流器或在直流鏈路中使用單個分流器可以間接測量繞組電流。這些方法的優(yōu)勢在于，分流信號全都以共用電源為基準(zhǔn)，但是從直流鏈路提取繞組電流要求采樣與PWM開關(guān)同步。采用以上任何一種電流檢測技術(shù)均可進行直接相位繞組電流測量，但是必須隔離分流電阻信號。高共模放大器可提供功能隔離，但是人員安全隔離必須由隔離式放大器或隔離式調(diào)制器提供。
圖4 隔離式和非隔離式電機電流反饋
圖4展示了上述各類電流反饋選擇。雖然只需選擇其中一種即可進行控制反饋，但還可將直流鏈路電流信號用作備份信號以進行保護。
如前所述，系統(tǒng)功率和接地劃分將決定需要的隔離分類，并從而判斷出適用的反饋。系統(tǒng)的目標(biāo)性能還會影響傳感器選擇或測量技術(shù)。縱觀整個性能圖譜，還可實現(xiàn)許多配置。