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概述

ADXL701器件是一款高精度、单通道z轴加速度计,用于车辆侧翻检测和其它高性能应用。ADXL701在整个温度范围内提供优于±500 mg的偏置稳定性以及优于5%的灵敏度稳定性。ADXL701设计采用可选的−3 dB滤波器转折率,可满足各种应用,2 kHz的输出数据速率可对加速度信息进行充分过采样。

该器件的加速度数据输出为真16位字,包含在32位SPI处理中。SPI接口包含额外的故障检测位和数据格式位,协助高可靠性应用。SPI通信兼容频率高达8 MHz。16位加速度数据字可在±14.2 g器件满量程范围内提供0.434 mg/LSB分辨率。

ADXL701采用带有反转焊盘的SOIC封装,可改善EMI/RFI鲁棒性。ADXL701采用3.3 V和5 V标称电源工作,额定工作温度范围为−40°C至+105°C汽车应用温度范围。

产品特性

* 高性能、z轴数字输出加速度计
* 满量程范围:±14.2 g(16位分辨率,0.434 mg/LSB)
* 输出采样速率:2 kHz(带可选数字FIFO)
* 可编程滤波器响应
* 20 Hz、46 Hz、92 Hz、184 Hz
* 连续机电自测功能
* 附带键启动和按需自测程序
* 低静态功耗
* 高线性度性能
* 通过汽车应用认证
* 温度范围:−40°C至+105°C

应用

* 车辆侧翻检测
* 平台稳定

功能框图

功能框图

欲了解有关ADXL701的更多信息,请联系ADI公司客户服务中心,网址为:
http://www.analog.com/en/content/technical_support_page/fca.html ,登录网站后与技术支持专家取得联系。

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Nicola O’Byrne ADI公司高级系统应用工程师

工业运动控制涵盖一系列应用,包括基于逆变器的风扇或泵控制、具有更为复杂的交流驱动控制的工厂自动化以及高级自动化应用(如具有高级伺服控制的机器人)。这些系统需要检测和反馈多个变量,例如电机绕组电流或电压、直流链路电流或电压、转子位置和速度。变量的选择和所需的测量精度取决于终端应用需求、系统架构、目标系统成本或系统复杂度。还有其他考虑因素,例如状态监控等增值特性。据报道,电机占全球总能耗的40%,国际法规越来越注重全体工业运动应用的系统效率(参见图1)。

工业驱动应用图谱

图1. 工业驱动应用图谱

各种电机控制信号链拓扑中的电流和电压检测技术会因电机额定功率、系统性能要求和终端应用而有所差异。由于这个原因,不同的传感器选择、电流隔离要求、ADC选择、系统集成度和系统电源/接地划分,导致电机控制信号链实现方案也不相同。虽然隔离要求通常对最终电路拓扑和架构有着重要影响,但本文关注的重点是如何改善电流检测(作为一个影响因素)来实现更高效的电机控制系统。

电流和电压测量

图2所示为一个通用电机控制信号链。为实现高保真测量而进行的信号调理并非易事。相位电流检测尤其困难,因为该节点连接的电路节点与逆变器模块核心中的栅极驱动器输出的节点相同,因此在隔离电压和开关瞬变方面的需求也相同。

通用电机控制信号链

图2. 通用电机控制信号链

电机控制中最常用的电流传感器为分流电阻、霍尔效应传感器(HES)以及电流互感器(CT)。虽然分流电阻不具有隔离功能且会引起损耗,但它是所有传感器中最具线性、成本最低且同时适用于交流和直流测量的传感器。为限制分流功率损耗的信号电平衰减通常将分流应用限制为50 A或更低。电流互感器和霍尔效应传感器可提供固有的隔离,因此能够用于电流较高的系统,但它们的成本更高,并且在精度上不及采用分流电阻的解决方案,这是由于此类传感器本身的初始精度较差或者在温度方面的精度较差。与传感器类型不同,电机电流测量节点有很多选择,如图3所示,其中以直接同相绕组电流测量最为理想,可用于高性能系统。

隔离式和非隔离式电机电流反馈

图3. 隔离式和非隔离式电机电流反馈

有许多拓扑可用来检测电机电流,并需考虑多种因素,例如成本、功耗以及性能水平,但对大多数系统设计人员而言,一个重要目标是在成本控制范围内提高效率。

F从霍尔效应传感器到分流电阻

与隔离式Σ-Δ调制器耦合的分流电阻可提供最优质的电流反馈,其中的电流电平足够低。目前,系统设计人员明显倾向于从霍尔效应传感器转移到分流电阻,并且与隔离式放大器方案相比,设计人员更倾向于采用隔离式调制器方案。将霍尔效应传感器替换为分流电阻的系统设计人员往往会选择隔离式放大器,并继续使用之前在基于霍尔效应传感器的设计中使用的模数转换器(ADC)。这种情况下,无论模数转换性能如何,设计性能都会受到隔离式放大器的限制。

将隔离式放大器和ADC替换为隔离式Σ-Δ调制器可消除性能瓶颈,并大大改善设计,通常可将其从9到10位精度的反馈提升到12位水平。此外,还可配置处理Σ-Δ调制器输出所需的数字滤波器,以实现快速过流保护(OCP)环路,从而无需模拟过流保护电路。

现有Σ-Δ调制器可提供±250 mV (±320 mV满量程用于OCP)的差分输入范围,特别适合阻性分流器测量。模拟调制器对模拟输入持续采样,而输入信息则包含在数字输出流内,其数据速率最高可达20 MHz。通过适当的数字滤波器可重构原始信息。由于可在转换性能和带宽或滤波器群延迟之间作出权衡,因此更粗、更快的滤波器能够以2 μs的数量级提供快速OCP响应,非常适用于IGBT保护。

缩小分流电阻尺寸

从信号测量方面来看,一些主要难题与分流电阻的选择有关,因为需要实现灵敏度和功耗之间的平衡。电阻自身的发热效应导致的非线性情况也会是使用较大电阻所面临的挑战。因此,设计人员必须做出权衡取舍,而更棘手的是,他们往往需要选择一个适当大小的分流电阻,以满足不同电流电平下各种型号和电机的需求。如果面对数倍于电机额定电流的峰值电流,并需要可靠捕获两者的值,则保持动态范围也是一个难题。面对这些难题,系统设计人员非常需要具有更宽动态范围或更高信噪比和信纳比(SINAD)的优异Σ-Δ调制器。最新的隔离式Σ-Δ调制器产品具有16位分辨率,并可确保高达12位有效位数(ENOB)的性能。

高性能隔离式Σ-Δ调制器

更高性能的隔离式Σ-Δ调制器可满足工业电机控制设计中的多种需求,并可通过缩小分流电阻尺寸来提高电机驱动器的功效。ADI公司的调制器AD7403就是一个很好的工业应用实例(参见图4)。它是AD7401A的新一代产品,可在相同的20 MHz外部时钟速率下提供更宽的动态范围。这使设计人员可以更为灵活地选择分流电阻大小,并能够在更高电流电平下使用分流电阻替换霍尔效应传感器。该芯片的ENOB典型值为14.2位。此外,还可通过缩短测量延迟改善动态响应。这款器件的隔离方案支持比上一代产品更高的连续工作电压(VIORM),从而可通过使用更高的直流总线电压和更低的电流来提高系统效率。

高性能二阶Σ-Δ调制器AD7403

图4. 高性能二阶Σ-Δ调制器AD7403

采用ADSP-CM40x混合信号控制处理器的系统解决方案

如前所述,实施Σ-Δ调制器需要使用数字滤波器,这通常使用FPGA或ASIC来实现。ADI公司混合信号控制处理器ADSP-CM408F的出现将改变这种设计方式,因为它包含Sinc滤波器硬件,可直接连接调制器。这有望加快运用阻性分流器和Σ-Δ调制器的电流检测技术的普及。

作者简介

Nicola O’ Byrne是ADI公司高级系统应用工程师,办公地点在爱尔兰科克市。联系方式:
nicola.obyrne@analog.com

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作者:Bob Scannell ADI公司

无论是在制造业、农业、物流业、能源业、汽车业还是无人机行业,机械自动化都有望显著提高资源效率、设备精度和安全性。为实现这些效益,关键是找出合适的检测技术以增强对设备状况相关情境的了解,使得设备的地点或位置成为有价值的输入。对此,通过指出精确地点或维持精准定位,精密惯性传感器有望发挥巨大作用。在某些应用中,运动是一个重要因素,若将其位置信息和传感器情境信息相关联,将产生意义重大的价值。很多情况下,尤其是在复杂或恶劣环境下工作时,确定位置有着关键性作用。运动物联网(IoMT)在实现效率大幅提升的道路上还面临着许多挑战,高性能惯性传感器将对其发展起到重要的推动作用。

传感器推动机器自动化

机械设备已从执行简单的被动测量发展到包含嵌入式控制功能,现在正进军完全自主式运作,这其中传感器发挥着重要的推动作用。无论是支持离线分析的简单测量,还是过程控制,很多此类传感器在孤立环境下都能充分有效地工作。获取实时信息的需求,加上日益丰富的检测类型和高效处理,使传感器融合——通过它能够最有效地确定与多种应用和环境状态相关的情境——取得重要进步。此外,在涉及多平台交互和需要获取历史系统状态的复杂系统中,连接技术的进步为智能程度日益提高的传感器系统提供支持,如表1所示。

详文请阅:高性能惯性检测解决方案 助力自主式机器应用

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作者: GrainneM,ADI物联网市场经理

上传到云端的数据正在形成数据湖,而且变得越来越大。我并不反对这样做,但它的意义何在?有多少数据是我们需要或用得到的?这让我想到很多无用的物联网应用。(我不得不为此找个理由……)

我最近读到一篇关于无线水壶的评论(相信我,这会引发一波响应—“谁被Andover惹恼了?”。我知道有很多完美的无线水壶产品,但老实说,从椅子上起身去拨一下开关很难吗?)……有些应用在我看来毫无意义。

我将分享一些关于使用这个水壶的反馈意见:“在首次尝试将水煮沸时,水壶受到强制调试的阻碍,导致其底座重置。水壶的底座看上去无法与水壶本身连接。经过重新校准,看似没有任何连接。然后,不可靠的WiFi连接需要不断地检查和重置。”——这所有一切只是为了一杯热水吗?如果水壶水位一直被监测并回送到我的系统,以便将煮沸开水的本地用电量传输到我的家庭能效系统,那么我可以理解。对我来说这就是发送见解,而不仅仅是数据。

传感器中的智能分区和嵌入算法可以在源头实时解读最关键的数据。嵌入智能传感器和云端的算法可让数据解读远远超越硅芯片。事实上,这使得预测未来系统行为成为可能。在任务关键型应用中加速采用物联网解决方案依赖于构建安全系统的能力——智能分区可实现这一点。

在工业自动化中,主动机器监控可以大幅提高正常运行时间,从而改造工厂。例如,精确的MEMS振动传感器和算法可以预测机器性能和可靠性,在本地实现实时优化和干预,同时在云端可以积累跨多个工厂多个系统的信息,进行分析并响应,从而提高生产力。

在移动医疗领域,生命体征和其他健康指标的临床分级监测变得越来越重要。例如,高能效光学传感器和超低功耗MEMS传感器可以通过先进的算法实时、可靠地评估患者的健康状况。另一个例子是运动抑制算法,可以更准确地从患者手腕处的光学测量系统解读心率。结果信息接着被传输到云端进行远程处理,这可能包括更为密集的数据分析,用于获取更多生物标志物和趋势。

这就是为什么应该有效地使用云端(不必花几个小时等待水壶里的水沸腾……)

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Stefan Hacker ADI公司系统专家

围绕现代生产工厂的能源效率问题,目前有许多讨论,系统解决方案制造商不断推出新的概念来应对这个问题。其中一个概念涉及到提高自动化程度,这多少有点令人吃惊,但它考虑到了能源效率需求,意图通过提供更强大的互连网络来提高效率。

关于能源效率的要求已在欧盟标准和EuP (能源使用产品)等指令中写明。新法规已于2015年1月1日生效,到2017年1月将有更多措施出台,届时将会推出新的能效等级并将更小的动力装置纳入其中。目标是到2020年将能耗再降低20%。

电能成本在生产成本中占有相当可观的比例,因此,人们有提高能效的需求不足为怪。目前,生产工厂中的电机消耗了所产生电能的大约46%,电机能源成本占其服役寿命期间总成本的大约90%。电机是生产工厂中几乎所有自动化设备背后的主要动力装置,很难想象一个没有电机的未来。

因此,现在新研发的一个核心目标是改善效率以便降低总成本。此外,绿色环保、资源友好、网络化的生产也是工业的一大趋势。图1所示为此类动力装置的框图。

新产品开发使系统性能和质量不断改进。永磁同步电机(PMSM)已成为新标准,在许多领域取代了无刷直流(BLDC)电机。同步磁阻电机(SynRM)的设计也已成为后续研究的主题。自从有了充足的稀土资源用于制造磁体,电机概念便被载入历史史册。此外,SynRM对所用部件的温度范围有很高的要求,并且需要新的控制概念和PWM驱动级。全数字控制是所有新系统众多要求中的关键要求,没有它便无法满足规范。

生产相关器件的半导体制造商受到系统制造商倡导的趋势的直接影响。他们要求以创新方式发展信号采集、信号转换和信号调理。将准备得更充分的信号送入专用处理器,通过更高电压驱动更快的伺服环路。中间电路中的更高电压要求IGBT使用更耐电压的绝缘器件和栅极驱动器。

网络化动力装置/伺服框图

图1. 网络化动力装置/伺服框图

另外,需要新的绝缘接口模块(长期看其具有更好的稳定性)来保护系统和用户免受危险电压影响,硬件也是如此。软件也在改进:更快的新算法能使更强大的处理器发挥最大效能,而基于模型的设计(MBD)方法则能在构建系统之前对系统进行参数化处理、优化和测试。

很显然,制造自动化系统的能源效率是一个复杂、多维度的问题。下面是优化能效所涉及的一些关键设计挑战:

X 第一,提高系统的输出和/或工厂每小时处理的单元数。这要求新的、更精确的算法,在更短的计算时间内得出结果,减少工具定位时间,实现更高的刀头速度。

X 第二,除新的栅极驱动器外,还要开发其他新器件,如更高集成度、更强大、更节能的处理器;它们可以部署在当前系统中,但主要是针对采用GaN或SiC技术的新型高压IGBT而设计。

X 第三,在整个逆变器或伺服驱动器中采取节能措施以便最佳地利用能源,降低待机模式下的损耗,利用动力装置的制动能,最后还要使生产工厂中的过程模块广泛联网工作。

ADI公司的新器件提供了应对上述挑战的解决方案,使实现最优能效成为现实:

X 强大高效的ADSP-CM40x系列处理器(240 MHz时钟速率)基于ARM®Cortex®-M4F架构,配有很大的内部存储器(2 MB闪存、384 kB SRAM)和灵活的接口。支持浮点的算术单元能够以原生数据格式快速精确地处理基于模型的算法。高精度、多通道、16位ADC (14位ENOB)和带可编程抽取率、用于重构Σ-Δ采样电流的快速sinc滤波器,连同快速开关PWM单元来提高电流伺服环路的精度。这些单元的精密集成减少了延迟和计算时间。灵活的存储器集成和网络谐波计算单元(HAE—谐波分析引擎)支持额外的算法,特别适用于有源前端,可将来自直流总线的电能返回本地电网。适当的接口保证其很容易集成
到现有工业网络中。图2显示了ADSP-CM408F的框图。

X AD740x系列隔离式16位Σ-Δ ADC已采样更精确的元件进行升级(14.2 ENOB),信号噪声间隔更大。它们能在整个额定频率范围内工作,满足最高1250 V采样电压的增强绝缘要求。高电涌和ESD稳定性确保器件具有长使用寿命。时钟可从内部产生(AD7402)或由外部施加(AD7403)。获得的Σ-Δ调制信号可直接送入ADSP-CM40x处理器中的sinc滤波器,无需FPGA来提供重构滤波器。如果走线长度延长很多,也有一款通过LVDS通道输出差分信号的器件(AD7405)可供考虑。

X 另外还有特别针对新型GaN和SiC功率半导体而开发的新型绝缘栅极驱动器,它们也适合现有MOSFET和IGBT技术。

X 隔离需求范围内中针对简单数字接口 ( 具体而言是USB、CAN、RS-232和LVDS)的新产品开发,解决了接口绝缘的安全问题。这些新研发满足了更严格的绝缘要求,因此具有长期稳定性。

新器件使得局部节能成为可能。然而,各逆变器仍存在一个很大的损耗因素:因为没有节能措施,待机时会不必要地消耗大量能源。利用更高程度且更智能的制造系统集成,将能合理地安排运行时间,提高作业水平。当不使用动力装置时,可以激活相应的节能机制。在利用工业以太网将各个系统联网方面正在不断取得进步,它取代了数据速率较低的现场总线系统。因此,不仅是制造数据通过以太网传输,定位数据也能传送,整个生产线都能同步。

 ADSP-CM40x架构框图

图2. ADSP-CM40x架构框图

ADSP-CM40x处理器通过Innovasic RapID模块集成到工业以太网网络中,该模块采用 fido5000 实时以太网、多协议( REM ) 交换机,支持工业以太网广泛使用的标准和协议:POWERLINK、Modbus、EtherNet/ IP (DLR)、PROFINET RT/IRT、SERCOS和EtherCAT,每种标准和协议对实时能力和系统同步的要求都在提高。图3显示了该模块和Innovasic以堆栈形式提供的网络协议。

RapID模块——基于fido5000 REM以太网交换机

图3. RapID模块——基于fido5000 REM以太网交换机

通过上述改进措施,ADI公司希望倡导以可持续发展观来提高生产工厂的能源效率,并实现将强大的器件放入网络环境中的愿景。这些有关精度和新器件合理集成的远大目标,将成为创新的发源地。现在轮到您将这些想法付诸实践,变成各种器件和完整系统解决方案,并利用这些器件和模块提出更好的办法。

作者简介

Stefan Hacker是ADI公司位于德国的工业与仪器仪表部门的电机控制系统专家。他与客户合作处理工业电机控制的完整系统信号链相关问题。Stefan拥有德国慕尼黑应用科学大学的工程学士学位和电气工程硕士学位。他在系统工程领域拥有15年以上的行业经验,负责为整个客户群提供差异化系统建议书。联系方式:stefan.hacker@analog.com

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