傳感器和數據接口在工業控制中的重要性

在電機控制環路中，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的故障狀態，從而提高系統可靠性。以下章節詳細介紹了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。其它內容包括：利用高速模/數轉換器(ADC)監測、控制多通道電流和電壓，高精度電機控制所需的編碼器數據接口等。

電流是用于檢測、監測并反饋給電機控制環路的常見信號。利用電流檢測放大器可以輕松地精確監測系統流入、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狀況，并監測電源和電池反接故障。

電流測量有很多渠道，但截至目前為止，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。傳統設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)，也可以采用高邊檢測(檢測電阻與火線串聯)。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。高邊檢測能夠對故障狀態進行監測，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測電路的電源輸入之間。這種設計沒有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 (內置或外置檢流電阻)，如MAX9918/MAX9919/MAX9920。器件的多樣性為設計提供極大靈活性，并簡化了各種ADC及其應用的器件選型。

霍爾傳感器被廣泛用于電機速度、位置和方向的檢測。這些傳感器集成了邏輯電路，能夠將數據傳送到系統進行實時反饋。傳感器還可檢測并報告任何形式的電機中斷故障，從而采取相應措施。檢測運動方向通常需要兩個霍爾傳感器。

若系統使用的霍爾器件數量與電機相數相同，并且霍爾器件的機械結構與電機每一相的電氣特性相關聯，換向操作可以同步到霍爾傳感器輸出邊沿。Maxim的MAX9641集成了兩路霍爾傳感器和傳感器信號調理電路，提供位置和方向輸出。霍爾傳感器還能夠配合專用的霍爾傳感器接口產品使用，如MAX9621。接口器件提供多種功能：電源瞬態保護、對霍爾傳感器的吸收電流進行檢測并濾波，以及故障診斷和保護。

與機械式光斷路器系統相比，霍爾傳感器有效提高了系統的可靠性和可重復性，而前者在灰塵和潮濕環境下無法保證可靠工作。由于霍爾傳感器檢測的是磁鐵或電流產生的磁場，所以能夠在這樣的惡劣環境下連續工作。有些應用中，振動、灰塵和高溫會造成有源傳感器工作異常。這種情況下，可以利用無源器件檢測電機工作并通過一個接口IC把數據反饋給系統。也可以在極端工作條件下選擇使用可變磁阻(VR)傳感器。

VR傳感器，如MAX9924—MAX9927通過一個線圈檢測電機的速度和轉動。當電機上安裝的齒輪進入磁場時，磁場的磁通量將會發生變化，從而導致線圈發生變化。當齒輪靠近傳感器時，磁通量達到最大值。當齒輪離開時，磁通量開始下降。旋轉齒輪會產生隨時間變化的磁通量，在線圈中感應產生成比例的電壓。隨后，電子電路對該信號進行處理，獲得一個更容易計數和定時的數字波形。集成VR傳感器接口方案相對于其它方案具有很多優勢，其中包括：提高抗干擾能力、提供準確的相位信息。

監測、控制電機時，需要測量多個電流和電壓信號，并需要保持通道間相位信息的完整性。有兩種ADC架構供設計人員選擇：使用多個單通道ADC，這種設計很難實現同步轉換時序；或者使用同步采樣ADC。同步采樣架構可以是單芯片封裝多路ADC，所有通道采用同一轉換觸發器；也可以在模擬輸入端使用多路采樣/保持放大器(也稱為跟蹤/保持放大器)。使用多路采樣/保持放大器時，多路模擬輸入和單通道ADC之間仍需使用多路復用器。同步采樣設計無需復雜的數字信號處理算法。

電機控制應用大多采用100ksps或更高的采樣速率。ADC以這樣的速率連續監測電機的工作狀況，提供任何故障或潛在險情的報警指示。一旦發現故障征兆，系統即可進行修復或在必要時關斷系統。如果ADC的采樣率不夠快，就不能盡早發現故障狀態并加以解決。

不同的電機控制應用對于動態測量范圍的要求不同。有些情況下，12位分辨率即可滿足系統要求。但對于更精密的電機控制應用，16位分辨率則是更為常見的標準。利用高性能16位ADC，如MAX11044或MAX11049，系統可獲得高于90dB的動態范圍。Maxim提供適合各種電機控制的同步采樣ADC。包括帶有串口或并口的12/14/16位分辨率等不同類型的器件。