ADI

隔离用户及敏感电子部件是电机控制系统的重要考虑事项。安全隔离用于保护用户免受有害电压影响,功能隔离则专门用来保护设备和器件。电机控制系统可能包含各种各样的隔离器件,例如:驱动电路中的隔离式栅极驱动器;检测电路中的隔离式ADC、放大器和传感器;以及通信电路中的隔离式SPI、RS-485、标准数字隔离器。无论是出于安全原因,还是为了优化性能,都要求精心选择这些器件。

虽然隔离是很重要的系统考虑,但它也存在缺点:会提高功耗,跨过隔离栅传输数据会产生延迟,而且会增加系统成本。系统设计师传统上求助于光隔离方案,多年来,它是系统隔离的当然选择。最近十年来,基于磁性(变压器传输)方法的数字隔离器提供了一种可行且在很多时候更优越的替代方案;从系统角度考虑,它还具备系统设计师可能尚未认识到的优点。

本文将讨论这两种隔离解决方案,重点论述磁隔离对延迟时序性能的改善,以及由此给电机控制应用在系统层面带来的好处。

隔离方法

光耦利用光作为主要传输方法,如图1所示。发送侧包括一个LED,高电平信号开启LED,低电平信号关闭LED。接收侧利用光电检测器将接收到的光信号转换回电信号。隔离由LED与光电检测器之间的塑封材料提供,但也可利用额外的隔离层(通常基于聚合物)予以增强。

图1. 光耦结构

光耦的最大缺点之一是:LED老化,会使传输特性漂移;设计人员必须考虑这一额外问题。LED老化导致时序性能随着时间和温度而漂移。因此,信号传输和上升/下降时间会受影响,使设计复杂化,尤其是考虑到本文后面要处理的问题。

光耦的性能扩展也是受限的。为了提高数据速率,必须克服光耦固有的寄生电容问题,该问题会导致功耗升高。寄生电容还会提供耦合机制,导致基于光耦的隔离器件的CMTI(共模瞬变抗扰度)性能劣于竞争方案。

磁隔离器(基于变压器)已大规模应用十多年,是光耦合器的有效替代方案。这类隔离器基于标准CMOS技术,采用磁传输原理,隔离层由聚酰亚胺或二氧化硅构成,如图2所示。低电平电流以脉冲方式通过线圈传输,产生一个磁场,磁场穿过隔离栅,在隔离栅另一侧的第二线圈中感生一个电流。由于采用标准CMOS结构,其在功耗和速度方面具有明显优势,而且不存在光耦合器相关的寿命偏差问题。此外,基于变压器的隔离器的CMTI性能优于基于光耦合器的隔离器。

磁性变压器结构

图2. 磁性变压器结构

基于变压器的隔离器还允许使用常规的信号处理模块(防止传输杂散输入)和高级传输编解码机制。这样就可以实现双向数据传输,使用不同编码方案来优化功耗与传输速率的关系,以及将重要信号更快速、更一致地传输到隔离栅另一端。

延迟特性比较

所有隔离器的一个重要但常常被轻视的特性是其传输延迟。此特性衡量信号(可以是驱动信号或故障检测信号)沿任一方向跨过隔离栅所需的时间。技术不同,传输延迟差别很大。通常提供的是典型延迟值,但系统设计师特别关注最大延迟,它是设计电机控制系统需要考虑的重要特性。表1给出了光耦合器和磁隔离栅极驱动器的传输延迟和延迟偏差值示例。

表1: 光耦合器和磁隔离器的典型延迟特性

如表1所示,磁隔离在最大延迟和延迟可重复性(偏差)方面优势明显。这样,电机控制设计人员对设计将更有信心,无需增加时序裕量以满足栅极驱动器特性。对于电机控制系统的性能和安全,这都有着非常重要的意义。

对电机控制系统的系统影响

图3显示了交流电机控制应用中采用的典型三相逆变器。该逆变器由直流母线供电,直流电源通常是通过二极管桥式整流器和容性/感性-容性滤波器直接从交流电源产生。在大部分工业应用中,直流母线电压在300 V至1000 V范围内。采用脉宽调制(PWM)方案,以5 kHz至10 kHz的典型频率切换功率晶体管T1至T6,从而在电机端子上产生可变电压、可变频率的三相正弦交流电压。

图3. 电机控制应用中的三相逆变器

PWM信号(如PWMaH和PWMaL)在电机控制器(一般用处理器和/或FPGA实现)中产生。这些信号一般是低压信号,与处理器共地。为了正确开启和关闭功率晶体管,逻辑电平信号的电压电平和电流驱动能力必须被放大, 另外还必须进行电平转换,从而以相关功率晶体管发射极为接地基准。根据处理器在系统中的位置,这些信号可能还需要安全绝缘。

栅极驱动器(如图3中的GDRVaL和GDRVaH)执行这种功能。每个栅极驱动器IC都需要一个以处理器地为基准的原边电源电压和一个以晶体管发射极为基准的副边电源。副边电源的电压电平必须能够开启功率晶体管(通常为15 V),并有足够的电流驱动能力来给晶体管栅极充电和放电。

逆变器死区时间

功率晶体管有一个有限的开关时间,因此,上桥和下桥晶体管之间的脉宽调制波形中必须插入一个死区时间,如图4所示。这是为了防止两个晶体管意外同时接通,引起高压直流母线短路,进而造成系统故障和/或损坏风险。死区时间的长度由两个因素决定:晶体管开关时间和栅极驱动器传输延迟失配(包括失配的任何漂移)。换言之,死区时间必须考虑PWM信号从处理器到上桥和下桥栅极驱动器之间的晶体管栅极的任何传输时间差异。

图4. 死区时间插补

死区时间会影响施加到电机的平均电压,尤其是在低速运转时。实际上,死区时间会带来以下近似恒定幅度的误差电压:

其中,VERROR为误差电压,tDEAD为死区时间,tON和tOFF为晶 体管开启和关闭延迟时间,TS为PWM开关周期,VDC为直流母线电压,VSAT为功率晶体管的导通状态压降,VD为二极管导通电压。

当一个相电流改变方向时,误差电压改变极性,因此,当线路电流过零时,电机线间电压发生阶跃变化。这会引起正弦基波电压的谐波,进而在电机中产生谐波电流。对于开环驱动采用的较大低阻抗电机,这是一个特别重要的问题,因为谐波电流可能很大,导致低速振动、扭矩纹波和谐波加热。

在以下条件下,死区时间对电机输出电压失真的影响最严重:

高直流母线电压
长死区时间
高开关频率
低速工作,特别是在控制算法未添加任何补偿的开环驱动中
低速工作很重要,因为正是在这种模式下,施加的电机电压在任何情况下都非常低,死区时间导致的误差电压可能是所施加电机电压的很大一部分。此外,误差电压导致的扭曲抖动的影响更有害,因为对系统惯性的滤波只有在较高速度下才可用。

在所有这些参数中,死区时间长度是唯一受隔离式栅极驱动器技术影响的参数。死区时间长度的一部分是由功率晶体管的开关延迟时间决定的,但其余部分与传播延迟失配有关。在这方面,光隔离器显然不如磁隔离技术。

应用示例

为了说明死区时间对电机电流失真的影响,下面给出了基于三相逆变的开环电机驱动的结果。逆变器栅极驱动器采用ADI公司的磁隔离器(ADuM4223ADuM4223), 直接驱动IR的IRG7PH46UDPBF 1200 V IGBT。直流母线电压为700 V。逆变器驱动开环V/f控制模式下的三相感应电机。利用阻性分压器和分流电阻,并结合隔离式∑–∆ 调制器(同样是来自ADI公司的AD7403),分别测量线电压和相电流。各调制器输出的单位数据流被送至控制处理器(ADI公司的ADSP-CM408)的sinc滤波器,数据在其中进行滤波和抽取后,产生电压和电流信号的精确表示。

sinc数字滤波器输出的线电压实测结果如图5所示。实际线电压为10 kHz的高开关频率波形,但它被数字滤波器滤除,以便显示我们感兴趣的低频部分。相应的电机相电流如图6 所示。

图5. 实测线间电机电压:(左)500 ns死区时间;(右)1 µs死区时间

图6. 实测电机电流:(左)500 ns死区时间;(右)1µs死区时间

ADuM4223栅极驱动器的传输延迟失配为12 ns,因此可以使用IGBT开关所需的绝对最短死区时间。对于IR IGBT,最短死区时间可设置为500 ns。从左图可看出,这种情况下的电压失真极小。同样,相电流也是很好的正弦波,因此扭矩纹波极小。右图显示死区时间提高到1 µs时的线电压和相电流。此值更能代表光耦合栅极驱动器的需求,因为其传播延迟失配和漂移更大。电压和电流的失真均有明显增加。这种情况使用的感应电机是相对较小的高阻抗电机。在更高功率的终端应用中,感应电机阻抗通常要低得多,导致电机电流失真和扭矩纹波增加。扭矩纹波在很多应用中都会产生有害影响,例如:电梯乘坐舒适度下降或机械系统中的轴承/联轴器磨损。

过流关断

现代栅极驱动器的另一个重要问题是处理器发出的关断命令能以多快的速度在IGBT上实现。这对于以下情况中的过流关断很重要:过流检测不是栅极驱动器本身的一部分,而是作为检测与滤波电路的一部分加以实现。这方面的另一个压力是更高效率IGBT的短路耐受时间缩短。对此,IGBT技术的趋势是从业界标准10µs缩短到5 µs甚至更短。如图7所示,过流检测电路通常需要数微秒时间来锁存故障;为了顺应总体发展趋势,必须采取措施来缩短这一检测时间。该路径中的另一主要因素是从处理器/FPGA输出到IGBT栅极(栅极驱动器)的传播延迟。同样,磁隔离器相对于光学器件有明显优势,原因是前者的传播延迟值非常小,通常在50 ns左右,不再是影响因素。相比之下,光耦合器的传播延迟在500 ns左右,占到总时序预算的很大一部分。

图7. 故障关断时序

电机控制应用的栅极驱动器关断时序如图8所示,其中处理器的关断命令跟在IGBT栅极发射极信号之后。从关断信号开始到IGBT栅极驱动信号接近0的总延迟仅有72 ns。

图8. 过流关断栅极驱动器时序

小结

随着人们更加关注系统性能、效率和安全,电机控制架构师在设计稳健系统时面临着日益复杂的挑战。基于光耦合器的栅极驱动器是传统选择,但基于变压器的解决方案不仅在功耗、速度、时间稳定性上更具优势,而且如本文所述,由于信号延迟缩短,其在系统性能和安全方面也有明显优势。这使得设计人员可以在防止上桥和下桥开关同时接通的同时,有把握地缩短死区时间,改善系统性能。此外,它还支持对系统命令和错误作出更快速的响应,这同样能增强系统可靠性并提高安全性。鉴于这些优势,基于变压器的隔离式栅极驱动器已成为电机控制系统设计的一个主要选择;强烈建议系统设计人员在设计下一个项目时,把器件延迟作为一项重要要求。

参考电路

Krakauer David,MS-2576技术文章,“平衡隔离器的主要因素以确保安全”,ADI公司,2014年。

Muñoz Alfredo R.和Thomas A. Lipo,“开环PWM-VSI驱动的 在线死区时间补偿技”,《IEEE电源电子会刊》,第14卷第4期,1999年7月。

NGTB15N60S1EG:IGBT—耐短路,ON Semiconductor。

作者

Dara O'Sullivan

Dara O'Sullivan是ADI公司自动化、能源与传感器业务部电机和电源控制团队(MPC)的高级系统应用工程师。其专长领域是交流电机控制应用的功率转换和控制。Dara拥有爱尔兰科克大学工程学士、工程硕士和博士学位。自2001年起,Dara便从事研究、咨询和工业领域的工业与可再生能源应用方面的工作。

Maurice Moroney

Maurice Moroney是ADI公司iCoupler®数字隔离器部营销经理,主攻电机控制、汽车和能源应用中的隔离式栅极驱动器和电压/电流检测领域。Maurice拥有爱尔兰利默里克大学电子工程学士学位和工商管理硕士学位。

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模拟电路仿真导论

近年来,系统设计人员承受的压力越来越大,他们需要先利用计算机仿真验证设计,再着手进行实际印刷电路板布局和硬件设计。对复杂数字设计进行仿真特别有利,原型制作阶段通常可以完全省去。大多数模拟电路并非如此。仿真可使设计人员对最终设计更有信心,而在高速/高性能模拟或混合信号电路设计中,完全绕开原型制作阶段风险很大。因此,在处理模拟电路时,有些原型制作必须进行仿真。原型制作技术将在MT-100中详细讨论。

SPICE(集成电路加重的仿真程序)是最常见的模拟电路仿真工具,可在不同计算机平台上以多种形式使用(参见参考文献1和2)。但是,为使仿真结果有意义,设计人员需要许多系统元件的精确模型。其中最重要的是用于集成电路的真实模型。

运算放大器几乎是所有模拟电路的基本构建模块,上世纪90年代初,ADI公司开发了一种先进的运算放大器SPICE模型,这种模型至今仍在使用(参见参考文献3和4)。在这种创新的开放式放大器架构中,增益和相位响应可以充分模拟,设计人员可以精确预测交流、直流和瞬态性能特性。这种模拟方法还扩展到了其他器件,如仪表放大器、基准电压源和模拟乘法器。以下讨论主要针对运算放大器,并说明了基本原理。

详文请阅:模拟电路仿真

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2018 年将会是物联网(IoT )和人工智能(AI) 之年,而最近Verizon Enterprise Solution的预测亦将物联网(IoT )以及人工智能(AI)放到2018 年的重点之中,更称包括软件定义网络 (SDN)、物联网 (IoT) 及人工智能 (AI) 等已渐变成主流。

因此,企业如何利用这些新兴科技将会是2018年的焦点。如果企业能把技术确实地转化成优势,而又不致让运营变得复杂,这将会成为取胜之关键。

2018年,以下趋势将给企业及政府客户带来影响:

1、SDN 正式启航

随着软件定义网络 (SDN) 的技术流通全世界,企业亦开始探索他们能如何善用虚拟网络服务带来之安全性、灵活性和敏捷性。

而「应用感知网络」(Application-aware Networking) 将会是下一个突破:以管理应用程序的效能、性能和安全来达致充分地使用带宽,在这个日益以内容为主导的世界中,这将会变得更为关键。

2、信息安全融入系统

信息安全将会在 2018 年逐渐改革,以嵌入平台的方式来支持业务,譬如为网络、开发人员和应用程序提供端到端的托管安全基础建设 (End-to-End Managed Security Infrastructure)。

环顾今天的网络威胁,大部分都属于全球性规模。

与此同时,以开放的心态及信息分享的形式对付不法之徒,无论在线上或线下,也已渐成常态。随着这种改革,测量信息安全之有效性将能以命令式 (Imperative) 来执行,并使网络风险整合到企业风险评估中。把安全态势 (Security Posture)、成熟度 (Maturity) 和卫生度 (Hygiene) 量化除了能提升风险管理之效率,亦能建立一个信息安全投资回报率,从而展现高层管理人员的能力。

3、IT协作成重要筹码之一

近年,部分企业早已洞悉先机,陆续放弃旧式 PBXs,并转用 IP 支持的电话系统。

2018 年将会是IT科技真正开始改革职场协作 (workplace collaboration) 的一年,尤其是在第三方法规(Third party compliance) 的影响下。员工将可以无缝地参阅日程信息和共享文件,并在一个安全环境下快速地于不同平台上进行通讯,而最终的目标将会是通过使用多渠道来提升用家体验和生产力。

使用软件定义网络 (SDN) 能为智能数据管理和多平台通话路由功能提供更具效益的协作效用,而流动应用程序亦允许员工和消费者直接掌握信息。

4、人工智能和机器人技术将采用物联网科技

物联网会在 2018 开始成为企业的一部分。当中一大挑战将会是如何把设备管理整合到整个 IT 基础建设中,而又不让企业过度负荷。人工智能和机器人技术将能以廉价而快捷的方式提供智能自动化的物联网管理部署。

5、大众进一步掌控IT体验

随着消费者愈来愈意识到数据的力量,他们在未来会更着重选择与他们互动的对象。因此品牌应当加倍留意如何处理数据,因为顾客将会希望与品牌拥有更密切的关系,并以具流动性、安全度高和简单的方式互动。若品牌能实现这一点,便能脱颖而出。

6、互操作性将会是公共安全之重要议题

回顾 2017 年,世界各地都经历了不少恐怖袭击和自然灾害。对于先遣部队人员而言,安全和无缝地与可部署网络 (Deployable Networks)进行连接将会是 2018 的重要焦点,特别是美国的紧急救援者网络管理局(FirstNet)。

互操作性除了能允许企业和公共安全有关之机构受惠于网络和技术服务的选择外,亦可以通过市场竞争来推动创新,并有助控制成本。更重要的是当灾难发生的时候,互操作性能够让先遣部队人员跟当局和公民保持通讯。

7、简单就是致胜关键

随着世界渐趋复杂,企业的成功将取决于能否有效地分开处理核心及非核心业务。

成功的企业专注于提供关键的业务成果,并把非核心业务外包给主要的合作伙伴,因此能否实现简化程序将会决定企业的成败。

IT转型将会继续是全球业务的焦点,但这是一条艰巨之路,特别是在全球缺乏企业 IT 技术人才的情况下。

本文转自:2018企业改革大趋势:物联网、AI

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Analog Devices, Inc. (ADI) 宣布推出 Power by Linear™ 的 LTC7821,该器件是业界首款混合式降压型同步控制器,它把开关电容器电路与一个同步降压型控制器相结合,可使 DC/DC 转换器解决方案尺寸相比传统降压解决方案锐减 50% 之多。这种改善是通过将开关频率提高 3 倍实现的 (并未牺牲效率) 。或者,当工作于相同的频率时,基于 LTC7821 的解决方案能提供高达 3% 的效率升幅。LTC7821 的其他优势包括低 EMI 和减低的 MOSFET 应力 (因采用软开关前端所致) ,非常适合功率分配、数据通信和电信以及新兴 48V 汽车应用中的下一代非隔离式中间总线应用。

欲查看 LTC7821 产品页面、下载数据手册、订购样片和评估板,请访问:
www.linear.com.cn/product/LTC7821

LTC7821 在 10V 至 72V (80V 绝对最大值) 的输入电压范围内工作,并能产生 0.9V 至 33.5V 的输出电压和几十安培的电流 (这取决于外部组件的选择) 。在典型的 48V 至 12V/20A 应用中,当 LTC7821 的开关频率为 500kHz 时可获得 97% 的效率。而传统的同步降压型转换器只有以工作频率的 1/3 执行开关操作才能达到相同的效率,因而导致必需使用大得多的磁性元件和输出滤波器组件。外部 MOSFET 以一个固定的频率执行开关操作,可设置范围为 200kHz 至 1.5MHz。LTC7821 强大的 1Ω N 沟道 MOSFET 栅极驱动器最大限度提高了效率,并能够驱动多个并联的 MOSFET 以满足较高功率应用的要求。由于 LTC7821 采用了电流模式控制架构,因此多个 LTC7821 能以一种并联的多相配置工作,从而利用其卓越的均流能力实现功率高得多的应用。

LTC7821 可实现许多专有的保护功能,以在广泛的应用中实现坚固的性能。基于 LTC7821 的设计通过在启动期间对电容器进行预平衡,消除了通常由开关电容器电路引起的浪涌电流。另外,LTC7821 还通过监视系统电压、电流和温度以发现故障,并使用一个检测电阻器以提供过流保护。当出现某种故障情况时,该器件停止开关操作并把 /FAULT 引脚拉至低电平。一个内置定时器可针对适当的重启 / 重试时间进行设定。EXTVCC 引脚使得 LTC7821 可依靠转换器的较低电压输出或其他高达 40V 的可用电源供电,从而降低了功耗并改善了效率。

LTC7821 采用 5mm x 5mm QFN-32 封装。扩展和工业温度版本可在 –40°C 至 125°C 工作。如需更多信息,请登录 www.linear.com.cn/product/LTC7821

LTC7821产品特性

* 宽 VIN 范围:10V 至 72V,80V 绝对最大值
* VOUT 范围:0.9V 至 33.5V
* 解决方案尺寸锐减达 50%
* 软开关用于实现低 EMI 和降低 MOSFET 应力
* 效率高达 97% (在 500kHz)
* PLL 固定频率:200kHz 至 1.5MHz
* 时钟输出用于多相操作
* 强大的四路 N 沟道 MOSFET 栅极驱动器
* 输入电流检测和过流保护
* 具可编程定时器和重试的短路保护

价格与供货

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在激增的高质量传感器、可靠连接和数据分析的共同推动下,工业效率迈上了新的台阶,而不断提高这些智能节点的自动化和移动化程度也能带来好处。在这些情况下,对传感器节点进行精密运动捕捉和位置跟踪成为事关应用成败的核心。这样,智能农场就可以基于丰富的地理位置、传感器内容以及分析学习结果来联合利用自动化地面车辆和航空器更加有效地指导地面作业。智能手术室将经典的导引技术带到手术台上,供精密制导机械臂使用,其运用传感器融合技术来确保各种条件下的精准导引。在多个领域,基于运动的传感器成为移动应用的价值倍增器。

手机中普遍存在的消费类惯性传感器使人们对其精度普遍感到失望,因此,在推动运动物联网(IoMT)的概念方面,迄今都没有什么成效。然而,新型高性能工业传感器能支持精确的角度指向和精确的地理定位性能,同时还能达到必要的尺寸和成本效率要求,故而现在又做好了推动运动物联网发展的准备。

工业系统智能检测的推动因素

工业机械和流程最具价值的进步集中在有形的系统级优势上,而这通常会带来设计和实现方面的挑战,这些挑战又会发展成新的问题解决方案和业务模式。这种系统级推动因素可以归纳为三项追求,即对资源效率、关键精度和更高安全性的追求。瞄准这些横跨多个行业的改进的应用,包括跨越空中/地面/海上、室内/室外、短期/长期和人/机等,但无论如何,它们都依赖于共同的属性;即精度、可靠性、安全性和智能处理与分析,如表1所示。

表1. 运动物联网应用重要的系统属性转变成极具挑战性的设计需求

多种类型的传感器成为目标应用设计任务的核心。目标设计涉及的系统复杂性要求基于广泛变化的条件下慎重考虑传感器质量和鲁棒性。虽然有些行业有可能出于方便考虑而选择传感器(比如,利用手机上已经存在的传感器组合),但其他行业则会重新设计传感器组合,根据精度做出选择,将传感器智能地结合起来,以全面、可靠地覆盖目标系统状态。

智能检测

在传感器大量存在的背景下,这些已面世的智能型系统正在一些所谓的成熟行业掀起革命,把农业变成智能农业,把基础设施变成智能基础设施,把城市变成智能城市。由于传感器被部署在这些环境中以收集相关的情境信息,数据库管理和通信方面出现了新的挑战,不仅要求传感器之间的数据融合,而且要求实现跨平台、跨时间的复杂融合(例如:对跨时间的基础设施状况、前一年的农作物产量、交通状况及模式等进行基于云计算的分析),如图1所示。

图1. 新兴工作需求将情境和运动检测与多层融合结合起来。

从设备和环境中可靠地抽取哪些信息的决定成为这些新兴应用最终效用和发展前景的主要度量指标。精度驱动效率,进而转变成必要的经济因素,同时也是确保安全、可靠运行的关键。虽然多数基础传感器可以添加简单的功能,但添加的这些简单功能却无法满足目标运动物联网应用的需求,在这类应用中,是/否、上/下、开/关等状态会被更精细的分辨率代替,添加的功能会影响传感器的选择。

运动的重要之处

多数情况下,物联网都处于运动状态。即使不处于运动状态——比如,静止的工业安全摄像头——精密指向仍可能必不可少,或者,关于无用运动(篡改)的知识也可能非常有价值。如果能在恶劣的飞行条件下维持精确的指向角度,用光学载荷捕捉作物图像的无人机就有可能更快地带来更好的结果;如果能为光学数据提供准确的地理测绘信息,则有可能实现对数据和趋势的历史比较。智能交通工具,无论是地面交通工具,还是空中或海上交通工具,它们都越来越依赖GPS导航。然而,GPS遭受的精度压力也越来越大,无论是有意为之,还是自然使然(建筑物、树木、隧道等)。如果选择时考虑了精度需求,则额外的传感器仍然可以在事故中断期间可靠地进行航向角推算。表2列出了使IoMT(运动物联网)中的M(运动)概念名符其实的一些因素,注意运动与通用应用之间的关系。

表2. 运动知识、甚至运动知识的缺乏都事关多种应用的成败

如果有机会和手段捕捉设备或人的自然惯性,抽取的系统状态意义就会得到增强,并且可能与可用的情境信息适当地融合起来,如表3所示。

表3. 位置检测是物联网的价值倍增器

可靠、安全的运动物联网节点

运动物联网节点输出的有效性和价值最为依赖的是核心传感器的质量以及它们高保真地捕捉应用情境的能力。因此,融合处理是传感器校正/增强的必然选择,也是理想捕捉传感器间状态动态的必备条件(例如,在任意给定时间点,哪个传感器最可靠)。应用级的处理以分层方式融入解决方案之中,并根据环境特点进行优化,包括适当的边界条件。虽然这种方式是自动的,但在有些情况下,这些节点会协同工作,比如在地面或空中成群的无人驾驶交通工具中。在这些情况下会部署安全链路,强调可靠传输和受保护的特有身份信息,如图2所示。

图2. 综合情境和位置信息的互联安全传感器。

传感器是自动化的核心

就如人体一样,自动运动物联网节点依赖检测多个输入来实现需要的感知能力,从而独立行动并根据随机、甚至乱序事件优化其结果,最终随时间改进。如表4所示,从基本测量到控制、再到自动化的过渡会提高传感器融合层的复杂性以及嵌入式设备计算的复杂性。由于这些节点也会取得很高的互联能力和自适应性学习能力,所以他们可能走向人机融合。

表4.以高质量传感器为基础,日益提升的集成度和智能程度推动自动化和人机融合

没有基础设施的定位

GPS无处不在,除非卫星信号被阻挡或中断。在可用的条件下,无线测距技术可能非常精确。如果未受干扰,始终都有磁场读数。惯性具有独有的自恃性。显然,惯性MEMS传感器有自身的不足(漂移),但这些不足都在可控范围以内,采用小尺寸经济型封装的新型工业惯性测量装置(IMU)具有前所未有的稳定性。

惯性MEMS器件采用标准半导体工艺、复杂封装和集成模式,通常以线性加速度(g)或角速度(°/秒,或速率)为单位,直接检测、测量和解读其运动,如图3所示。由于除要求最温和的应用以外,所有其他应用都拥有所谓的多自由度(实际上指,可以在任何所有轴上运动,且所有设备在其运动中都相互不受限),这就必须捕捉x、y和z各轴的加速度和角速度值;或者在有些情况下,称为翻滚轴、俯仰轴和偏航轴。综合起来,这些有时被称为六自由度惯性测量单元。

图3. 用于确定精密运动的微机电结构。

虽然经济上的考量自然会促使MEMS设计师用最少的硅片面积在各个轴上(x、y、z)抽取这些多个检测类型(加速度、角速度),但仍然需要采取更加平衡的性能设计视角,以满足更具挑战性的工业检测需求。事实上,有些MEMS结构在尝试用单个MEMS模块测量所有6种模式。在考察这种方式对于高性能检测的有效性之前,我们必须知道,MEMS器件需要捕捉一些运动,这非常重要,但同样重要的是,同一器件还要能够放弃会变成误差的其他形式的运动(或者不受其影响)。例如,虽然陀螺仪测量角速率,但它同样应该能做到忽略角速率测量上的加速度或重力效应。对一个简单的MEMS器件来说,如果试图以小小的结构测量一切,自然(在设计上)会非常容易受到这些其他干扰误差源的影响,并且无法把有用运动与无用运动区分开来。最终,这些误差源会变成导航或应用中的噪声和误差。

运动物联网要兑现必要时提高资源效率、增加安全或关键精度的承诺,就需要比当今移动设备中无处不在的简单传感器具有更高的精度。着眼于性能的设计模式就变成了为每种检测模式和每个检测轴独立设计的模式,但其目的是走向融合和集成。最后,必须知道的是,为性能设计并不一定意味着不能为经济考量而设计。

功能或性能

有些应用可以通过添加功能(设备的手势/方向模式切换)获得极大的价值,用简单的MEMS器件就能相对容易地获得这些信息。工业或专业器件可能更容易测量不同方位的精度与亚度间的差值,或者能以优于一个数量级以上的精度分辨位置,同时还能在高振动环境里工作。低端传感器与高端传感器之间的性能差异并不小,事实上,二者的差异非常大,在选择组件时有必要慎重考虑。

最终应用将决定所需的精度水平,而所选的传感器质量将决定其能否实现。表5选择了两种解决方案进行比较,说明了传感器选择对设计过程和设备精度均很重要。如果只在很有限的情况下依赖传感器,并且应用有较高的容错性,那么可以使用低精度传感器——换言之,如果不是安全或生命攸关的应用,相对较低的精度便足够了。虽然多数消费级传感器在有利条件下噪声很低且性能良好,但它们不适合用于动态运动(包括振动)下的机器,因为性能较低的惯性测量单元无法将动态运动与简单的线性加速度或所需的倾斜测量区分开来。在工业环境中工作时,为实现优于1度的精度,应当选择专门设计的传感器,以便抑制振动或温度影响导致的误差漂移。这种高精度传感器能够支持更大范围的预期应用状态,工作时间也更长。

表5.推动精度和效用的是传感器的质量而非传感器融合的复杂性

精密仪器设计师最感兴趣的一般是惯性测量装置(IMU),这类装置输出的是经校准的加速度和速率而非运动角度或距离,因为这种系统级的信息高度依赖于具体应用,因而是系统设计师而非惯性传感器设计师的工作重点。结果导致的问题,举例来说,是从惯性传感器规格表中分辨指向精度。

表6展示的是一款中端工业器件的规格,同时还用手机中常见的消费级传感器进行了比较。请注意,也有更高端的工业器件可用,其精度比表中所示器件要高一个数量级。多数低端消费级器件未提供诸如线性加速度效应、振动校正、角度随机游走之类的参数规格,而这些规格在工业应用中恰恰可能是最大的误差源。

表6.工业MEMS器件对所有已知潜在误差源进行全面测定,通常能实现消费类器件高出一个数量级或更高的精度水平

这款工业传感器样品设计用于预期会有相对迅速或极端运动(2000°/s、40 g)的场景,宽带宽传感器输出对最佳地辨别信号也很关键。工作期间的失调漂移(运动中稳定度)应最小,以降低对更多补充传感器(用来校正性能)的依赖。在某些情况下,应用无法为后端系统滤波校正提供所需的时间,此时必须使开机漂移(可重复性)最小化。低噪声加速度计同陀螺仪一起使用,以帮助区别并校正任何关于加速度的漂移。

陀螺仪传感器设计可用来直接消除任何加速度g事件(振动、冲击、加速度、重力)对器件失调的影响,可大幅改善线性加速度;通过校准,温漂和对准均得以校正。若不进行对准校正,典型多轴MEMS器件即使集成到单片结构中,也可能有较大对准误差,使其成为误差计算的主要贡献因素。

近年来,噪声在区分传感器级别上所起的作用有所降低。在超出简单判定或相对静止运动确定的应用中,线性加速度效应和对准误差之类的参数成为噪声源,通过芯片设计方法或器件专用校准来改善它们需要付出高昂的成本。

传感器融合能补救劣质传感器吗?

答案很简单,不能。传感器融合是一个滤波和算法处理的过程,它将相对于环境、运动动态信息和应用状态对传感器组合进行合并或管理。传感器融合可以提供确定性的校正(如温度补偿),并会基于系统状态知识,管理从一个传感器到另一个传感器的切换过程,但无法弥补传感器内在的缺陷。

在传感器融合设计中,最关键的任务是首先要深入挖掘应用状态知识,为设计流程的剩余环节提供支撑和动力。针对给定的应用选择适当的传感器时,应先进行详细分析,了解其在总体任务的不同阶段中的权重(相关性)。在行人导航定位推算示例中,解决方案主要取决于可用的设备(如智能手机中的嵌入式传感器),而不是通过性能设计。因此,会严重依赖GPS以及其他可用的传感器,例如嵌入惯性和磁性传感器,仅为确定有用的位置信息发挥一小部分作用。它在室外能够正常工作,但在具有挑战性的城市环境或室内,GPS就不准确了,其他可用传感器的质量很差,存在较大差距,换言之,位置信息的质量具有不确定性。尽管先进的滤波器和算法通常用来融合这些传感器的数据,无需任何额外传感器或质量更好的传感器,软 件对于弥补不确定性差距的作用不大,最终只是大大降低了报 告位置的信心。图4中为概念性说明。

图4. 应用级精度取决于传感器质量而非传感器融合复杂性。

与其形成鲜明对比的是,工业导航定位推算方案是针对系统性能定义而设计的,要根据具体精度要求选择组件。更高质量的惯性传感器允许其发挥主要作用,适当利用其他传感器来缩小不确定性差距。比起推算/估算可靠的传感器读数间的位置,算法在概念上更关注最佳权重、切换和传感器互补,以及对于环境和实时运动动力学的认识。

精度在任何一种情况下都可以通过选择质量更高的传感器来提高,虽然传感器滤波和算法是解决方案的重要一部分,但它们本身并不能消除低质传感器覆盖范围的差距。

新型工业传感器的性能已经接近以前用于导弹制导的传感器的水平。这些新型工业传感器采用最初针对可靠和精密汽车应用设计并以经济型工艺制成的架构,在性能-成本比和性能-尺寸比方面具有独特的优势,如图5所示。

图5. 工业级6自由度IMU ADIS1647x和ADIS1646x,在复杂和动态环境中也能提供高精度水平。

精密运动检测不再是小众应用的专属,其他应用也别无选择,只得投资采购昂贵的跟踪解决方案。随着迷你型IMU工业级精密传感器的上市,物联网设计师现在可以通过整合优质运动检测功能和嵌入式情境检测功能,成倍提高其产品的价值。

作者:Bob Scannell

Bob Scannell 是ADI公司惯性MEMS产品的业务开发经理。他在ADI公司工作已超过15年,先后从事传感器、数字信号处理、无线产品的各种技术营销和业务开发工作。之前他曾在Rockwell International公司从事设计和市场方面的工作。他拥有美国加州大学电气工程学士学位和美国南加州大学计算机工程硕士学位。

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