传感器在电机控制过程中的应用问题探讨

wjunxi

    说到电机，相信每一个人都不会感到陌生。以1740年苏格兰僧侣安德鲁·戈登创建第一个简单的静电设备（被认为是世界上第一个电动马达）为起点，[url=http:///rsonline.cn/web/c/power-supplies-transformers/power-supplies-psus/]psu电源[/url]经过了这几百年的不断探索、改进，不同功率、不同尺寸、不同性能的庞大的电机家族已经融入各行各业，被广泛应用于工业生产和人们的日常生活。
    在另一篇关于无刷电机的博文中，也有提到电机控制的概念，为了使电机按照我们的需求工作，我们需要电机控制系统来对电机进行良好的控制。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，[url=http:///rsonline.cn/web/c/power-supplies-transformers/transformers/pcb-transformers/]PCB变压器[/url]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。
    下图是一个典型的直流电机控制系统的流程图。
    将所需的力矩、速度、方向等参数作为微控制器的输入值，[url=http:///rsonline.cn/web/b/glenair/]glenair[/url]微控制器控制驱动器，为电机提供相应的脉冲。各种传感器构成了反馈系统，电流、速度、位移、旋转方向等传感器负责为微处理器提供反馈数据来进一步优化、精确控制。这些传感器被用在控制回路中，通过探测一些可能损坏马达的情况来提升系统的稳定性、可靠性。当然，现在还有一些不需要传感器的电机控制系统，今天我们先暂不做介绍。
    随着工业生产对电机控制精确度的要求的日益提升和传感器技术的发展进步，人们可以以更低的价格获得更高精确度的传感器，在电机控制系统设计过程中对于传感器，人们也有了更多不同种类、价格、性能的选择。接下来我们将谈谈电机控制系统中所需的探测的参数种类，和为了探测这些参数使用的主流传感器类型。
    电流传感器
    在电机控制中，电流的大小和方向，可直接提供电机速度、旋转方向的信息。
    目前最普遍的三种电流传感器是分流器（shuntresistor）、霍尔效应传感器（Halleffect）和电流检测变压器（Currentsensingtransformers）。
    分流器：
    分流器其实使用的是我们最为熟悉的欧姆定律。通过测量一个已知电阻值的电阻两端的电压来计算电流值，电阻值较小，使之不会对电机电路产生太大影响。分流器以它低廉的价格和可接受的准确性而受到欢迎。但它不能用于测量过大电流。可采用高边电流分流测量法或是低边电流分流测量法（High-Side/Low-SideCurrentShuntMeasurements），它们各有优劣，在这里不做详细介绍。
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    霍尔效应电流传感器：
    在载流导体周围产生一正比于该电流的磁场，而霍尔器件则用来测量这一磁场。因此，使电流的非接触测量成为可能。霍尔效应电流传感器较易于集成于嵌入式应用系统，这类的传感器IC通常产生能直接输入到微控制器ADC的模拟输出电压。霍尔传感器分为开环式和闭环式，它们在性能、特性上略有差别。霍尔效应传感器有许多优势，如可以非接触监测、测量范围广、响应速度快、测量精度高等等，但它也有价格较高、精确度易受温度等外界因素影响等弊端。
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    电流检测变压器：
    它主要运用变压器原理：线圈匝数与电流大小的比例关系。它的优点是可以监测大电流，但也有对于交流电需要进行特别处理的劣势。
    监测电机速度、位置、位移的传感器
    编码器（Encoder）：
    编码器可以用来测量旋转中电机的速度、方向、轴位置等。编码器使用的是光电探测原理，如下图所示。将编码器码盘与电机旋转轴相连，码盘上有如图所示的极细间隔，光源和光传感器透过这些间隔产生可直接传到编码器逻辑IC或微处理器进行处理的电信号，一般通过脉冲A、B来计算旋转速度，通过脉冲Z来判断旋转方向。
    由于需要安装码盘，对一些已固定的电机此方法会带来一些不便。且会有不可避免的累积误差需要矫正。
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    霍尔效应旋转传感器：
    什么是霍尔效应我们在上文说霍尔效应式电流传感器时已有提及，霍尔效应式传感器被广泛应用于感应测量不同的物理量。在这里我们说的霍尔转速传感器是一种小型封闭式传感器，其原理是当磁力线穿过传感器上感应元件时产生霍尔电势经过霍尔芯片的放大整形后，成力电信号供二次仪表使用。
    可变磁阻(VR)传感器:
    虽然霍尔式传感器以其较好性能得到广泛应用，但正如我们在前文中提到的那样，温度等外界环境的过大变化对霍尔式传感器灵敏度的影响较大，因此在振动、灰尘和高温等极端工作环境下，我们诉诸于VR传感器。它的基本工作原理是由一个穿过电磁铁的线圈组成,一个齿轮轮齿（或其它靶的凸出部分）通过磁铁表面,从而引起磁通量的数量的变化。但是由于信号处理系统价格较高，使得磁阻效应传感器的价格也一直较高。但是在高温条件下，人们还是会选择磁阻传感器，而非霍尔式，一个典型应用就是在喷气发动机中检测涡轮的转速。