电机控制中地传感器技术.docx
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电机控制中地传感器技术
电机控制中的传感器技术
一、引言
在电机控制系统中传感器是一个关键的组成局部。
目前,它们使用有非常重要意义,位置、速度和方向的旋转运动。
最先进的传感器技术的完善具有准确性和可靠性,同时降低本钱。
许多传感器,现已整合传感器和信号调节电路到一个单一的封装。
在大多数电机控制系统,假如干传感器是用来提供反应信息的运动。
传感器被用于控制回路,并提高可靠性故障检测条件,电机故障可能会损坏电机。
作为一个例子,图1提供了一个框图的直流电动机控制系统的反应明确该传感器提供了一个典型的电机控制。
电机控制系统中的传感器,可用于反应信息微控制器如下:
•电流传感器
-分流电阻
-电流感应变压器
-霍尔效应电流传感器
图1:
典型直流电动机方框图。
二、电流传感器
三个最为流行的电流传感器在发动机控制应用是:
•分流电阻
•霍尔效应传感器
•电流互感器
分流电阻电流传感器很受欢迎,因为他们提供了一个准确的测量,费用低。
霍尔效应电流传感器被广泛使用,因为他们提供了一个非侵入性的测量,并采用小型IC封装,结合了传感器和信号调节电路。
电流互感器也是一个受欢迎的传感器技术,尤其是在高电流或AC线监测应用。
综述的优势和缺点每个电流传感器是列于表1。
图2显示的一个示例的交流电机驱动一个三阶段逆变桥电路。
这个例子
结果明确,复合材料目前在所有三个绝缘栅双极型晶体管〔IGBT〕电路腿可
衡量一个分流电阻,或者说,目前在每个回合才能确定与三个分流电阻。
图2显示的系统,使用分流电阻。
不过,霍尔效应和电流互感器也可以被用来提供电流测量。
表1:
比拟电流传感方法
电流传感方法
分流电阻
霍尔效应
电流互感器
准确性
好
好
中等
准确性vs温度
好
差
好
本钱
低
高
中
接触式
是
否
否
大电流测量能力
差
好
好
直流偏离
有
无
无
饱和性/滞后
无
有
有
能耗
高
低
低
侵入性测量
是
否
否
的AC/DC测量,
两种
两种
只有交流
图2:
交流电动机电流测量
1、分流电阻
分流电阻的一种广受欢迎的电流感应传感器由于其较低的本钱和良好的精度。
分流电阻上的压降低值电阻的监测,以确定当前流经负载电流。
如果电阻是小规模的,压降将是小型和衡量不会对电机电路产生重大影响的。
耗散电阻使电流分流的测量不得超过大约20A。
选择标准的分流电流电阻需要评估和权衡,其中包括:
•增加RSENSE增加了VSENSE电压,从而使电压偏移〔VOS〕与输入偏置电流抵消〔IOS〕放大器误差显著减小。
•大RSENSE值将在电阻上造成电压减少和I2xR功率的损失。
•大RSENSE值将导致电压偏移,以低侧载荷测量,可能影响EMI特性和噪声系统的灵敏度。
•特别用途,低电感电阻如果目前需要有一个高频率内容。
•在额定功率RSENSE必须评估,因为I2xR功耗可能使电阻发热和电阻阻值的改变。
特别用途,分流电流测量电阻可从一些供给商。
如果标准电阻器的使用,建议使用金属薄膜电阻器,而不是有比拟大的电感绕线电阻的。
分流电阻器还可以创建在PCB板上,如图3所示。
分流电阻电路板提供了一个低本钱替代分立电阻。
然而,他们的精度X围相比分立电阻很小。
微量铜印刷电路板分流电阻温度系数大约相当于0.39%/°C的进一步细节的PCB分流电阻给出了参考〔2〕。
图3:
电路分流电阻。
2、高侧与低侧电流分流测量
系统的一体化问题
分流电阻可提供高侧或低侧测量电流通过负载所示,图4。
高侧监测的电阻串联的电源,而低侧监测定位之间的负载电阻和接地电流返回路径。
这两种方法由设计师权衡的。
两种方法特点,以与典型的监测电路,将显示在以下各节。
参考〔3〕提供更详细的高侧和低侧分流。
高侧电流测量是首选方法从系统集成的角度来看,相比低侧测量,高侧测量干扰相对较少。
相比高侧测量,低侧测量电路要复杂得多的。
高侧测量电阻分流不会对系统重大的影响,如果感应电阻小,并且由此产生的电压降在分流是比拟小的供电电压。
与此相反,低侧监测地线负载,这会造成噪音和电磁干扰问题系统。
低侧电流测量,因为往往选择低电压运算放大器可用于意义上的电压的分压电阻。
请注意,低侧监测是不可能的,因为在一些应用的接地是通过机械式电动机的底盘或金属框架。
动力系统可以通过一个简单的接线,它可能不能够实际插入一个分流电阻的设备和底盘之间并作为地线。
图4:
高侧和低侧阻性电流分流
3、高侧电流分流测量
高侧电流测量可以实施与差分放大器电路,产生的输出电压与VSENSE或流经负载电流成正比。
图5提供了一个例证:
一个高侧分压电路,差分放大器电路可以执行的运算放大器和分立电阻或一个集成的IC设备。
综合差分放大器集成电路提供了一些半导体厂商提供了一个方便的解决方法,因为放大器和适宜的电阻结合在一个单一的设备。
高侧监测属性如下表:
优势:
•侵扰程度较低超过低端测量,并不会影响电磁特性的系统。
•可检测电流故障可能发生的短路或无意接地,可以负载电流达到危险的水平。
•差分放大器电路将过滤不良噪声通过共模排斥率〔共模抑制比〕的放大器。
•电阻网络可以用来减少电压放大器的输入端子输入量。
例如,如果Rin=R*,如此输入电压将减少一半和放大器将偏向于与Vs/2。
请注意,放大器增益将等于一个和第二个放大器,可能需要提高传感器的输出电压。
缺点:
•在VSENSE电压大约等于电源电压时,这可能超出了放大器的最大输入电压X围。
•由于不适宜的电阻与放大器可能使差分放大器的共模抑制比减小。
•输入阻抗的差分电路相对较低,是不对称的。
输入阻抗的放大器的非反相输入等于Rin+R*,而阻抗的反相终端等于Rin。
•因为高电压等级的输入信号,可能需要高电压输入运算放大器。
高侧分流电路需要一个高电压放大器,能承受高电压共模信号输入。
此外,关键是放大器规格高共模抑制比和低VOS,因为相对较小的VSENSE。
高压运算放大器和综合差分放大器集成电路可用于系统的最大电压大约为60V。
电压要求超越为60V,电流镜电路可用于意义上说,当前的。
电流镜可实施现成的,高电压晶体管。
参考资料〔1〕和〔5〕提供的例子高电压,高侧目前的监测电路。
表2提供的,建议微分运算放大器,可用于高侧电路。
图5:
高侧阻性电流测量电路。
表2:
推荐微运算放大器的高侧电流分流
产品
工作电压
共模抑制比
Vos最大值
特征
TC7652
6.5to16V
40dB
10μV
•低噪音
•斩波稳定
TC913A
6.5to16V
116dB
15μV
•自动锁定运算放大器
TC913B
6.5to16V
110dB
30μV
•自动锁定运算放大器
4、低侧电流测量
低侧电流测量的好处:
该电路可以实现低电压运算放大器,因为测量的参照地面。
在低侧测量电路可以使用非反相放大器所示,如图6。
在低侧电流监视器也可实施与差分放大器。
的优势差分放大有限,因为RSENSE是连接到地面和共模电压是非常小。
请注意,集成的IC低侧显示器结合了运算放大器和电阻器不容易可因为简单的电路,可实施了一些分立电阻和低电压运算放大器。
低侧监测属性是:
优势:
•VSENSE是参照地面。
因此,低电压放大器都可以使用。
•非反相放大器可用于和输入阻抗的电路将等于大的输入阻抗的放大器。
缺点:
•低端电阻地面道路和补充抗接地系统产生一个偏置电压可引起电磁干扰噪音问题。
•低侧电流监视器无法检测到故障情况下的负荷是无意中连接到通过实地的替代路径。
表3提供的,建议微运算放大器,可用于低侧电路。
关键运算放大器规格选择低侧放大器有轨至轨输入和低失调电压〔VOS〕。
图6:
低侧阻性电流测量电路。
表3:
推荐微运算放大器低侧电流分流
产品
工作电压
共模抑制比
VOSMAX
特征
TC913A
6.5to16V
116dB
15μV
•自动清零运算放大器
TC913B
6.5to16V
110dB
30μV
•自动清零运算放大器
MCP606
2.5to5.5V
91dB
250μV
•轨到轨输出
•低工作电流
MCP616
2.3to5.5V
100dB
150μV
•轨到轨输出
•低工作电流
5、并联偏移调整电路
该电路如图7所示可用于提供一个抵消的扩增VSENSE信号。
电阻受体1是用来防止偏移电压提供的电阻R4与R5改变价值VSENSE。
抵销可用于中心放大器的输出中点的电压供给〔VDD电压/2〕。
该VSENSE信号通常只有10〜100毫伏地上的抵消,常常是必要的放大器连接到一个ADC。
图7:
并联偏移调整电路
提供一个抵消的分流电阻的电路也可以改善线性扩增,尤其是如果标准运算放大器的使用。
线性度,精度和能耗标准的单电源供给运算放大器时,通常是退化的输出信号是,或其附近,供电导轨。
因此,抵消电路可用来防止这个问题。
那个首选使用运算放大器并联电路中有一个小偏移电压〔VOS〕和轨到轨,输入输出规X。
6、噪声消除技术
相结合的差分放大器具有高共模抑制比和离散滤波器RC可用于尽量减少影响的EMI噪声。
电磁干扰的影响上测量结果通常很差DC性能和一个大直流偏移的输出运算放大器。
图8提供了一个例证:
一个电路,可用在汽车的应用,以减少噪音。
增加了过滤器的共同模式所形成的R1C1和R2C2是用来减少噪音是对两个输入线放大器。
离散RC网络的电压水平低噪声信号的功能作为一个低通滤波器。
但是,EMI滤波器,如阴道齐纳二极管,以确保输入噪声是钳位到安全电压水平,不会损害放大器。
共模电阻和电容应匹配尽可能接近。
电阻应有一个宽容的1%或更高,而电容器应该有一个宽容的5%或更高。
电容器体C3是用来添加一个过滤器,钢筋混凝土差异补偿任何不匹配的R1C1和R2C2。
任何差异RC组合将导致退化放大器的共模抑制比。
差分滤波器形成R1C3和R2C3将差分信号衰减的放大器所造成的公差的共同模式滤波器。
图8:
RC降噪电路
图9提供了一个例证:
一个分流放大器电路的滤波结合的分流电流信号的偏移调整。
RC局部R1C1,R2C2和C3是用来提供EMI和ESD保护放大器。
RC反应网络R7C5和R6C4的选择提供一个低通滤波器响应差分放大器。
权衡离散滤波器网络的是,频率响应滤波器的依赖源和负载阻抗。
该过滤器方程显示只是一个近似值。
一份更详细的分析,或SPICE模拟可能需要准确模型过滤器的电路响应。
图9:
结合OFFSET和降噪电路
降噪电路
集成的EMI滤波器可用于简化电路如图9所示,减少离散组成局部。
集成无源器件〔四月十二日〕的EMI过滤器,包括电阻和瞬态抑制〔电视〕齐纳二极管可从一些集成电路供给商。
署的过滤器整合离散在一个小元件IC封装,同时提供暂态电压保护。
超声设备提供的好处是输入信号钳位到一个安全值,等于崩溃电压的齐纳二极管。
该齐纳二极管职能当电容器的电压低于击穿电压。
因此,署滤波器相当于一个RC滤波器当输入电压为小。
详情署EMI滤波器和ESD保护器件中提供参考〔8〕。
7、霍尔效应电流传感器
霍尔效应传感器是目前测量传感器,可以很容易地集成到嵌入式应用。
多家厂商提供设备的结合磁性传感器和调理电路中的一个小集成电路封装。
传感器通常集成电路生产模拟输出电压,可直接输入到微控制器的模数转换器。
主要缺点大厅效应电流传感器,它们昂贵和其准确性随温度。
霍尔效应的原如此根底上的电压〔VH〕时创建电流〔IC〕的流动的方向垂直磁场〔B〕所示,图10。
霍尔效应电流传感器可在不论是在开环或闭环的实施。
闭环霍尔效应传感器的好处其输出线性优于一个开环传感器在更广泛的电流测量X围。
进一步细节,霍尔效应传感器,可在引用〔4〕,〔7〕和〔12〕。
图10:
霍尔效应原理。
图11:
霍尔效应电流传感器。
霍尔效应电流传感器可放在印制电路板直接在目前的追踪,将监测。
该传感器通过测量功能磁通量所建立的电流流动通过追踪。
图11提供的一个例子印刷电路板安装霍尔效应传感器,测量目前通过有线放在顶部的集成电路。
大会堂电流传感器的影响也有一个软件包这是安装在PCB上,与载流线穿过一个洞,传感器。
8、电流感应变压器
电流感应变压器提供的替代品分流电阻和霍尔效应传感器来测量电流。
传感器使用的原如此,传感器使用的原如此,一个变压器,在比初级电流的二次电流是一个功能的匝数比。
的主要优势电流互感器是,他们提供电隔离,可用于高电流应用。
的主要缺点是,电流互感器的交流输入信号需要,以防止变压器饱和。
图12提供电路图单一转向和多圈的主要电流感应变压器。
单反过来主要变压器的优点,该测量非侵入性和载流线可以通过直接通过一个洞,变压器。
多谈谈变压器的优点,提供改善磁耦合,因为许多原来的首要线可以提供。
图12:
电流感应变压器。
三、反电势控制方法
背部电磁力〔电磁场〕,或无传感器马达控制的方法得到的速度和位置的电机直接从电压在电机绕组。
这种方法通常是用在无刷直流电机提供减刑。
反电势控制的方法消除了要求相对较高的传感器,如霍尔效应器件。
该反电势电压产生正弦波或梯形波形感觉到这是在电机绕组,通常会转换成数字方波的过零比拟电路。
比拟信号输入到微控制器的计算减刑序列和电机位置的相位关系的方波代表的反电势信号。
该反电势时创建的电机电枢轮流,这将创建一个电器回扣或EMF是感觉到作为一个电压通过一个电阻器。
振幅的电磁场信号增加的速度电枢旋转。
限制的反电势的方法是,振幅的信号是非常小的低骨干RPMs。
在过零电路可以构造从离散比拟ICS或比拟,位于内PICmicro®微控制器。
图13提供了一个框图一个传感器控制的无刷直流〔BLDC〕马达,使用离散比拟电路。
图13:
带传感器无刷直流电动机控制方框图。
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