Σ-Δ調(diào)制器能否提高運動控制效率

工業(yè)運動控制涵蓋一系列應(yīng)用，包括基于逆變器的風(fēng)扇或泵控 制、具有更為復(fù)雜的交流驅(qū)動控制的工廠自動化以及高級自動 化應(yīng)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(zhuǎn)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(yīng)用需求、系統(tǒng)架構(gòu)、目標(biāo)系統(tǒng)成本或系統(tǒng)復(fù)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(yīng)用的系統(tǒng) 效率(參見圖1)。

圖1. 工業(yè)驅(qū)動應(yīng)用圖譜

各種電機控制信號鏈拓?fù)渲械碾娏骱碗妷簷z測技術(shù)會因電機額 定功率、系統(tǒng)性能要求和終端應(yīng)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(dǎo)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?fù)浜图軜?gòu)有著重要影響， 但本文關(guān)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(diào)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(qū)動器輸出的節(jié)點相 同，因此在隔離電壓和開關(guān)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(yīng)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(yīng)用限制為50 A或更低。電流互感器和霍爾效 應(yīng)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?fù)淇捎脕頇z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(shè)計人員而言，一個 重要目標(biāo)是在成本控制范圍內(nèi)提高效率。

F從霍爾效應(yīng)傳感器到分流電阻

與隔離式Σ-Δ調(diào)制器耦合的分流電阻可提供最優(yōu)質(zhì)的電流反 饋，其中的電流電平足夠低。目前，系統(tǒng)設(shè)計人員明顯傾向于 從霍爾效應(yīng)傳感器轉(zhuǎn)移到分流電阻，并且與隔離式放大器方案 相比，設(shè)計人員更傾向于采用隔離式調(diào)制器方案。將霍爾效應(yīng) 傳感器替換為分流電阻的系統(tǒng)設(shè)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(yīng)傳感器的設(shè)計中使用的模 數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)。這種情況下，無論模數(shù)轉(zhuǎn)換性能如何，設(shè)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(diào)制器可消除性能瓶 頸，并大大改善設(shè)計，通?？蓪⑵鋸?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(diào)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(diào)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(diào)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(nèi)，其數(shù)據(jù)速率最高 可達(dá)20 MHz。通過適當(dāng)?shù)臄?shù)字濾波器可重構(gòu)原始信息。由于可在 轉(zhuǎn)換性能和帶寬或濾波器群延遲之間作出權(quán)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(yīng)，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(guān)， 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(yīng) 導(dǎo)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(shè)計人員必須做出權(quán)衡取舍，而更棘手的是，他們往往需要選 擇一個適當(dāng)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(shè)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(diào)制器。最新的隔離式 Σ-Δ調(diào)制器產(chǎn)品具有16位分辨率，并可確保高達(dá)12位有效位數(shù) (ENOB)的性能。

高性能隔離式Σ-Δ調(diào)制器

更高性能的隔離式Σ-Δ調(diào)制器可滿足工業(yè)電機控制設(shè)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(qū)動器的功效。ADI公司的調(diào)制器AD7403就是一個很好的工業(yè)應(yīng)用實例(參見 圖4)。它是AD7401A的新一代產(chǎn)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(shè)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(yīng)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(yīng)。這款器件的隔離方案支持比 上一代產(chǎn)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(diào)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(diào)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(shè)計方式，因為它包含Sinc濾波器硬件，可直 接連接調(diào)制器。這有望加快運用阻性分流器和Σ-Δ調(diào)制器的電 流檢測技術(shù)的普及。