【導讀】工業(yè)運動控制涵蓋一系列應用，包括基于逆變器的風扇或泵控 制、具有更為復雜的交流驅動控制的工廠自動化以及高級自動 化應用(如具有高級伺服控制的機器人)。這些系統(tǒng)需要檢測和 反饋多個變量，例如電機繞組電流或電壓、直流鏈路電流或電 壓、轉子位置和速度。變量的選擇和所需的測量精度取決于終 端應用需求、系統(tǒng)架構、目標系統(tǒng)成本或系統(tǒng)復雜度。還有其 他考慮因素，例如狀態(tài)監(jiān)控等增值特性。據(jù)報道，電機占全球 總能耗的40%，國際法規(guī)越來越注重全體工業(yè)運動應用的系統(tǒng) 效率(參見圖1)。
圖1. 工業(yè)驅動應用圖譜
各種電機控制信號鏈拓撲中的電流和電壓檢測技術會因電機額 定功率、系統(tǒng)性能要求和終端應用而有所差異。由于這個原 因，不同的傳感器選擇、電流隔離要求、ADC選擇、系統(tǒng)集成 度和系統(tǒng)電源/接地劃分，導致電機控制信號鏈實現(xiàn)方案也不相 同。雖然隔離要求通常對最終電路拓撲和架構有著重要影響， 但本文關注的重點是如何改善電流檢測(作為一個影響因素)來實 現(xiàn)更高效的電機控制系統(tǒng)。
電流和電壓測量
圖2所示為一個通用電機控制信號鏈。為實現(xiàn)高保真測量而進行 的信號調理并非易事。相位電流檢測尤其困難，因為該節(jié)點連 接的電路節(jié)點與逆變器模塊核心中的柵極驅動器輸出的節(jié)點相 同，因此在隔離電壓和開關瞬變方面的需求也相同。
圖2. 通用電機控制信號鏈
電機控制中最常用的電流傳感器為分流電阻、霍爾效應傳感器 (HES)以及電流互感器(CT)。雖然分流電阻不具有隔離功能且會 引起損耗，但它是所有傳感器中最具線性、成本最低且同時適 用于交流和直流測量的傳感器。為限制分流功率損耗的信號電 平衰減通常將分流應用限制為50 A或更低。電流互感器和霍爾效 應傳感器可提供固有的隔離，因此能夠用于電流較高的系統(tǒng)， 但它們的成本更高，并且在精度上不及采用分流電阻的解決方 案，這是由于此類傳感器本身的初始精度較差或者在溫度方面 的精度較差。與傳感器類型不同，電機電流測量節(jié)點有很多選 擇，如圖3所示，其中以直接同相繞組電流測量最為理想，可 用于高性能系統(tǒng)。
圖3. 隔離式和非隔離式電機電流反饋
有許多拓撲可用來檢測電機電流，并需考慮多種因素，例如成 本、功耗以及性能水平，但對大多數(shù)系統(tǒng)設計人員而言，一個 重要目標是在成本控制范圍內提高效率。
從霍爾效應傳感器到分流電阻
與隔離式 Σ-Δ調制器耦合的分流電阻可提供最優(yōu)質的電流反 饋，其中的電流電平足夠低。目前，系統(tǒng)設計人員明顯傾向于 從霍爾效應傳感器轉移到分流電阻，并且與隔離式放大器方案 相比，設計人員更傾向于采用隔離式調制器方案。將霍爾效應 傳感器替換為分流電阻的系統(tǒng)設計人員往往會選擇隔離式放大 器，并繼續(xù)使用之前在基于霍爾效應傳感器的設計中使用的模 數(shù)轉換器(ADC)。這種情況下，無論模數(shù)轉換性能如何，設計性 能都會受到隔離式放大器的限制。
將隔離式放大器和ADC替換為隔離式Σ-Δ調制器可消除性能瓶 頸，并大大改善設計，通常可將其從9到10位精度的反饋提升到 12位水平。此外，還可配置處理Σ-Δ調制器輸出所需的數(shù)字濾 波器，以實現(xiàn)快速過流保護(OCP)環(huán)路，從而無需模擬過流保護 電路。
現(xiàn)有Σ-Δ調制器可提供±250 mV (±320 mV滿量程用于OCP)的差分輸 入范圍，特別適合阻性分流器測量。模擬調制器對模擬輸入持 續(xù)采樣，而輸入信息則包含在數(shù)字輸出流內，其數(shù)據(jù)速率最高 可達20 MHz。通過適當?shù)臄?shù)字濾波器可重構原始信息。由于可在 轉換性能和帶寬或濾波器群延遲之間作出權衡，因此更粗、更 快的濾波器能夠以2 μs的數(shù)量級提供快速OCP響應，非常適用于 IGBT保護。
縮小分流電阻尺寸
從信號測量方面來看，一些主要難題與分流電阻的選擇有關， 因為需要實現(xiàn)靈敏度和功耗之間的平衡。電阻自身的發(fā)熱效應 導致的非線性情況也會是使用較大電阻所面臨的挑戰(zhàn)。因此， 設計人員必須做出權衡取舍，而更棘手的是，他們往往需要選 擇一個適當大小的分流電阻，以滿足不同電流電平下各種型號 和電機的需求。如果面對數(shù)倍于電機額定電流的峰值電流，并 需要可靠捕獲兩者的值，則保持動態(tài)范圍也是一個難題。
面對這些難題，系統(tǒng)設計人員非常需要具有更寬動態(tài)范圍或 更高信噪比和信納比(SINAD)的優(yōu)異Σ-Δ調制器。最新的隔離式 Σ-Δ調制器產品具有16位分辨率，并可確保高達12位有效位數(shù) (ENOB)的性能。
高性能隔離式Σ-Δ調制器
更高性能的隔離式Σ-Δ調制器可滿足工業(yè)電機控制設計中的多 種需求，并可通過縮小分流電阻尺寸來提高電機驅動器的功 效。ADI公司的調制器 AD7403 就是一個很好的工業(yè)應用實例(參見 圖4)。它是AD7401A的新一代產品，可在相同的20 MHz外部時鐘 速率下提供更寬的動態(tài)范圍。這使設計人員可以更為靈活地選 擇分流電阻大小，并能夠在更高電流電平下使用分流電阻替換 霍爾效應傳感器。該芯片的ENOB典型值為14.2位。此外，還可 通過縮短測量延遲改善動態(tài)響應。這款器件的隔離方案支持比 上一代產品更高的連續(xù)工作電壓(VIORM)，從而可通過使用更高 的直流總線電壓和更低的電流來提高系統(tǒng)效率。
圖4. 高性能二階Σ-Δ調制器AD7403
采用ADSP-CM40x混合信號控制處理器的系統(tǒng) 解決方案
如前所述，實施Σ-Δ調制器需要使用數(shù)字濾波器，這通常使用 FPGA或ASIC來實現(xiàn)。ADI公司混合信號控制處理器 ADSP-CM408F 的 出現(xiàn)將改變這種設計方式，因為它包含Sinc濾波器硬件，可直 接連接調制器。這有望加快運用阻性分流器和Σ-Δ調制器的電 流檢測技術的普及。
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