传感器和数据接口在工业控制中的重要性

（文章来源：OFweek）

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(VR)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。

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。电流检测放大器能够检测短路和瞬态状况，并监测电源和电池反接故障。

电流测量有很多渠道，但截至目前为止，最常见的方案是采用检流电阻进行测量。这种方法的基本原理是：利用基于运放的差分放大器对检流电阻两端的电压进行放大，然后测量放大后的电压信号。传统设计中通常采用分立器件。但分立方案存在一些缺点，例如：需要匹配电阻、具有较差的温漂特性，并占用较大面积。幸运的是，这些缺点可以通过在设计中使用集成电流检测放大器得以解决。放大器不仅测量电流，还可以检测电流方向，具有较宽的共模范围，能够提供高精度测量。

电流测量可以采用低边检测(检测电阻与接地通路串联)，也可以采用高边检测(检测电阻与火线串联)。低边检测中，电路的输入共模电压较低，输出电压以地为参考，但低边电阻在接地通路增加了所不希望的外部电阻。高边检测中，负载接地，但高边电阻必须承受相当大的共模信号。高边检测能够对故障状态进行监测，例如，电机外壳或绕组对地短路。

高边电流检测放大器，如MAX4080/MAX4081，将检流电阻放置在电源正端和被监测电路的电源输入之间。这种设计没有在地通道引入外接电阻，大大简化了布局，通常也有助于改善电路的总体性能。Maxim可提供单向和双向电流检测IC (内置或外置检流电阻)，如MAX9918/MAX9919/MAX9920。器件的多样性为设计提供极大灵活性，并简化了各种ADC及其应用的器件选型。

霍尔传感器被广泛用于电机速度、位置和方向的检测。这些传感器集成了逻辑电路，能够将数据传送到系统进行实时反馈。传感器还可检测并报告任何形式的电机中断故障，从而采取相应措施。检测运动方向通常需要两个霍尔传感器。

若系统使用的霍尔器件数量与电机相数相同，并且霍尔器件的机械结构与电机每一相的电气特性相关联，换向操作可以同步到霍尔传感器输出边沿。Maxim的MAX9641集成了两路霍尔传感器和传感器信号调理电路，提供位置和方向输出。霍尔传感器还能够配合专用的霍尔传感器接口产品使用，如MAX9621。接口器件提供多种功能：电源瞬态保护、对霍尔传感器的吸收电流进行检测并滤波，以及故障诊断和保护。

与机械式光断路器系统相比，霍尔传感器有效提高了系统的可靠性和可重复性，而前者在灰尘和潮湿环境下无法保证可靠工作。由于霍尔传感器检测的是磁铁或电流产生的磁场，所以能够在这样的恶劣环境下连续工作。有些应用中，振动、灰尘和高温会造成有源传感器工作异常。这种情况下，可以利用无源器件检测电机工作并通过一个接口IC把数据反馈给系统。也可以在极端工作条件下选择使用可变磁阻(VR)传感器。

VR传感器，如MAX9924—MAX9927通过一个线圈检测电机的速度和转动。当电机上安装的齿轮进入磁场时，磁场的磁通量将会发生变化，从而导致线圈发生变化。当齿轮靠近传感器时，磁通量达到最大值。当齿轮离开时，磁通量开始下降。旋转齿轮会产生随时间变化的磁通量，在线圈中感应产生成比例的电压。随后，电子电路对该信号进行处理，获得一个更容易计数和定时的数字波形。集成VR传感器接口方案相对于其它方案具有很多优势，其中包括：提高抗干扰能力、提供准确的相位信息。

监测、控制电机时，需要测量多个电流和电压信号，并需要保持通道间相位信息的完整性。有两种ADC架构供设计人员选择：使用多个单通道ADC，这种设计很难实现同步转换时序；或者使用同步采样ADC。同步采样架构可以是单芯片封装多路ADC，所有通道采用同一转换触发器；也可以在模拟输入端使用多路采样/保持放大器(也称为跟踪/保持放大器)。使用多路采样/保持放大器时，多路模拟输入和单通道ADC之间仍需使用多路复用器。同步采样设计无需复杂的数字信号处理算法。

电机控制应用大多采用100ksps或更高的采样速率。ADC以这样的速率连续监测电机的工作状况，提供任何故障或潜在险情的报警指示。一旦发现故障征兆，系统即可进行修复或在必要时关断系统。如果ADC的采样率不够快，就不能尽早发现故障状态并加以解决。

不同的电机控制应用对于动态测量范围的要求不同。有些情况下，12位分辨率即可满足系统要求。但对于更精密的电机控制应用，16位分辨率则是更为常见的标准。利用高性能16位ADC，如MAX11044或MAX11049，系统可获得高于90dB的动态范围。Maxim提供适合各种电机控制的同步采样ADC。包括带有串口或并口的12/14/16位分辨率等不同类型的器件。
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