工業(yè)運動控制的測量技術

工業(yè)運動控制涵蓋了廣泛的應用，從基于逆變器的風扇或泵控制，到具有更復雜的交流驅(qū)動控制的工廠自動化，再到具有復雜伺服控制的機器人等高級自動化應用。這些系統(tǒng)需要對許多變量進行檢測和反饋，例如電機繞組電流或電壓、直流母線電流或電壓、轉(zhuǎn)子位置和速度。變量的選擇和所需的測量精度取決于最終應用需求、系統(tǒng)架構、目標系統(tǒng)成本或系統(tǒng)復雜性，以及其他考慮因素，例如狀態(tài)監(jiān)測等增值功能。據(jù)報道，電機消耗了全球40%的能源，國際法規(guī)增加了對整個工業(yè)運動應用的系統(tǒng)效率的關注，增加了這些變量的重要性，尤其是電流和電壓。

本文重點介紹根據(jù)電機額定功率、系統(tǒng)性能要求和最終應用，在各種電機控制信號鏈拓撲中進行電流和電壓檢測。在這種情況下，電機控制信號鏈的實現(xiàn)因傳感器選擇、電流隔離要求、模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）選擇、系統(tǒng)集成以及系統(tǒng)電源和接地分區(qū)而異。

工業(yè)驅(qū)動應用范圍

電機控制應用的范圍從簡單的逆變器到復雜的伺服驅(qū)動器，但都包括具有功率級的電機控制系統(tǒng)，以及驅(qū)動具有不同檢測和反饋水平的脈寬調(diào)制器（PWM）模塊的處理器。應用范圍的簡化視圖如圖1所示，說明了隨著從左到右移動而變得越來越復雜的系統(tǒng)，從泵、風扇和壓縮機等簡單的控制系統(tǒng)到無需精確反饋即可實現(xiàn)的系統(tǒng)，只需使用簡單的微處理器。隨著系統(tǒng)復雜性的增加，向頻譜的高端發(fā)展，復雜的控制系統(tǒng)需要精確的反饋和快速的通信接口。例如感應電機或永磁電機的有傳感器或無傳感器矢量控制，以及專為提高效率而設計的高功率工業(yè)驅(qū)動器——如圖 1 所示為大型泵、風扇和壓縮機。在頻譜的最高端，復雜的伺服驅(qū)動器用于機器人、機床和拾取和放置機器等應用。隨著系統(tǒng)變得更加復雜，變量的傳感和反饋變得更加重要。

圖1.工業(yè)驅(qū)動應用范圍。

驅(qū)動器體系結構 — 系統(tǒng)分區(qū)

設計系統(tǒng)以應對工業(yè)運動控制領域的各種應用存在許多挑戰(zhàn)。通用電機控制信號鏈如圖2所示。

圖2.通用電機控制信號鏈。

關鍵問題是隔離要求，這些要求通常會對最終的電路拓撲和架構產(chǎn)生重大影響。有兩個關鍵因素需要考慮：為什么隔離和在哪里隔離。

所需的隔離分類將由前者決定。要求可以是高壓安全隔離（SELV）以防止人為電擊，或功能隔離以在非致命電壓之間進行電平轉(zhuǎn)換，或用于數(shù)據(jù)完整性和噪聲緩解目的的隔離。隔離位置通常由預期的系統(tǒng)性能決定。電機控制通常是一個惡劣的電氣噪聲環(huán)境，設計通常會遇到幾百伏的大共模電壓，可能以超過20 kHz的頻率切換，瞬態(tài)dv/dt上升時間非常高。出于這個原因，無論是高性能系統(tǒng)還是高功率固有噪聲較大的系統(tǒng)，通常都會將功率級與控制級隔離。設計采用單處理器還是雙處理器方法也會影響隔離位置。在性能較低且功耗較低的系統(tǒng)中，通常在數(shù)字通信接口處隔離，這意味著電源和控制級具有相同的電位。低端系統(tǒng)具有較低帶寬的通信接口進行隔離。傳統(tǒng)上，由于傳統(tǒng)隔離技術所需的高帶寬和局限性，隔離高端系統(tǒng)中的通信接口一直具有挑戰(zhàn)性，但隨著磁隔離CAN和RS-485收發(fā)器產(chǎn)品的出現(xiàn)，這種情況正在發(fā)生變化，例如 www.analog.com/ iCoupler提供的ADI公司的產(chǎn)品。

高性能閉環(huán)電機控制設計中的兩個關鍵要素是PWM調(diào)制器輸出和電機相電流反饋。圖3a和3b說明了需要安全隔離的位置，具體取決于控制級是與功率級共享相同的電位，還是以接地為參考。無論哪種情況，都需要隔離高端柵極驅(qū)動器和電流檢測節(jié)點，但隔離等級不同——在圖3a中，只需要對這些節(jié)點進行功能隔離，而在圖3b中，這些節(jié)點的人身安全（即電流）隔離至關重要。

圖 3a. 以功率級為參考的控制級。

圖 3b. 以地球為基準的控制級。

電流和電壓檢測的測量技術和拓撲

用于檢測電流和電壓的信號鏈實現(xiàn)因傳感器選擇、電流隔離要求、ADC選擇和系統(tǒng)集成以及系統(tǒng)電源和接地分區(qū)而異，如前所述。實現(xiàn)高保真測量的信號調(diào)理并非易事。例如，在這種嘈雜的環(huán)境中恢復小信號或傳輸數(shù)字信號具有挑戰(zhàn)性，而隔離模擬信號則更具挑戰(zhàn)性。在許多情況下，信號隔離電路會引入相位延遲，從而限制系統(tǒng)動態(tài)性能。相電流檢測尤其具有挑戰(zhàn)性，因為該節(jié)點與功率級（逆變器模塊）中心內(nèi)的柵極驅(qū)動器輸出連接到同一電路節(jié)點，因此在隔離電壓和開關瞬變方面具有相同的要求。確定要在電機控制系統(tǒng)中實現(xiàn)的測量信號鏈（技術、信號調(diào)理和ADC）取決于三個關鍵因素：

系統(tǒng)中的點或節(jié)點，因為這決定了需要測量的內(nèi)容。

電機的功率水平和由此產(chǎn)生的傳感器選擇——是否是固有隔離的。傳感器的選擇對ADC的選擇有重大影響，包括轉(zhuǎn)換器架構、功能和模擬輸入范圍。

最終應用程序。這可能會推動檢測信號鏈中對高分辨率、高精度或速度的需求。例如，在較寬的速度范圍內(nèi)實現(xiàn)無傳感器控制，需要更頻繁地進行更多測量和更高的精度。最終應用也會影響對ADC功能的需求。例如，多軸控制可能需要更高的通道數(shù)ADC。

電流和電壓傳感器

電機控制中最常用的電流傳感器是分流電阻器、霍爾效應 （HE） 傳感器和電流互感器 （CT）。雖然分流電阻器不提供隔離，并且在較高電流下會產(chǎn)生損耗，但它們是所有傳感器中線性最強的，成本最低，適用于交流和直流測量。限制分流功率損耗所需的信號電平降低通常會將分流應用限制在50 A或更低。CT和HE傳感器提供固有的隔離，允許它們服務于高電流系統(tǒng)，但由于傳感器本身的初始精度較差或溫度范圍內(nèi)的精度較差，因此它們的成本更高，并且導致解決方案的精度低于通過分流電阻器可以實現(xiàn)的解決方案。

電機電流測量位置和拓撲

除了傳感器類型之外，還有幾個電機電流測量節(jié)點可供選擇。平均直流母線電流可用于控制目的，但在更高級的驅(qū)動器中，電機繞組電流用作主要反饋變量。直接相繞組電流測量是理想的選擇，用于高性能系統(tǒng)。但是，可以使用每個下部逆變器支路中的分流器或直流母線中的單個分流器間接測量繞組電流。這些方法的優(yōu)點是分流信號都以電源共通為基準，但從直流鏈路提取繞組電流需要將采樣同步到PWM開關。可以使用上述任何電流檢測技術進行直接相繞組電流測量，但分流電阻信號必須隔離。高共模放大器可以提供功能隔離，但人體安全隔離必須由隔離放大器或隔離調(diào)制器提供。

圖4顯示了上述各種電流反饋選項。雖然控制反饋只需要其中一個選項，但直流母線電流信號可用作保護的備用信號。

圖4.隔離和非隔離電機電流反饋。

如前所述，系統(tǒng)電源和接地分區(qū)將確定所需的隔離分類，從而確定哪些反饋選項是合適的。系統(tǒng)目標性能也會影響傳感器的選擇或測量技術。有許多配置可以在性能范圍內(nèi)實現(xiàn)。

性能較低的示例：功率級和控制級位于公共電位上，檢測選項 A 或 B

Using leg shunts is one of the most economical techniques to measure motor current. In this example, where the power stage shares the same potential as the control stage, there is no common mode to be dealt with and the outputs from option A or B can connect directly to the signal conditioning circuitry and ADC. This type of topology would generally be found in a low power and low performance system with the ADC embedded in the microprocessor.

Higher Performance Example: Control Stage Connected to Earth, Sensing Option C, D, or E

In this example, human safety isolation is required. Sensing options C, D, and E are all possible. Option E provides the highest quality current feedback of all three options and, being a higher performance system, it is likely that there is an FPGA or other form of processing in the system that can provide the digital filter for the isolated modulator signal. The ADC choice for option C, the isolated sensor (likely closed loop HE), would traditionally be discrete to achieve higher performance than that possible with embedded ADC offerings to date. Option D is an isolated amplifier in this configuration, vs.a common-mode amplifier, as safety isolation is required. An isolated amplifier will limit performance, and so an embedded ADC solution may suffice. This will provide the lowest fidelity current feedback compared to options C or E, and while an embedded ADC may be perceived as “free”and the isolated amplifier potentially “cheap,” the implementation usually requires additional components for offset compensation and level shifting for ADC input range matching, increasing the overall signal chain cost.

There are many topologies that can be used in motor control design to sense motor current with many factors to consider such as cost, power level, and performance level. A key objective for most system designers is to improve the current sense feedback in order to improve efficiency within their cost targets. For higher end applications, current feedback is critical to other system performance measures such as dynamic response, acoustic noise, or torque ripple, not just efficiency. It is evident that there is a continuum of performance running from low to high across the various topologies available and this is coarsely mapped out in Figure 5 illustrating both lower power and higher power options.

圖5.電流檢測拓撲性能范圍。

電機控制系統(tǒng)設計人員的目標、需求和由此產(chǎn)生的趨勢：從 HE 傳感器遷移到分流電阻器

分流電阻器與隔離式Σ-Δ調(diào)制器耦合，可提供最高質(zhì)量的電流反饋，其中電流水平足夠低，適合分流使用。系統(tǒng)設計人員有一個顯著的趨勢是從HE傳感器遷移到分流電阻，另一個趨勢是轉(zhuǎn)向隔離式調(diào)制器方法，而不是隔離式放大器方法。僅更換傳感器即可降低物料清單 （BOM） 和 PCB 插入成本，并提高傳感器精度。分流電阻器對磁場或機械振動不敏感。通常，系統(tǒng)設計人員用分流電阻代替HE傳感器時，可能會選擇隔離放大器，并繼續(xù)使用以前在基于HE傳感器的設計中使用的ADC來限制信號鏈的變化水平。但是，如前所述，無論ADC性能如何，隔離放大器的性能都會受到限制。

進一步用隔離式Σ-Δ調(diào)制器代替隔離放大器和ADC將消除性能瓶頸，并大大改善設計，通常將其從9位至10位質(zhì)量反饋變?yōu)?2位電平。模擬過流保護（OCP）電路也可以被淘汰，因為處理Σ-Δ調(diào)制器輸出所需的數(shù)字濾波器也可以配置為實現(xiàn)快速OCP環(huán)路。因此，任何BOM分析不僅應包括隔離放大器、原始ADC和它們之間的信號調(diào)理，還應包括可能被淘汰的OCP器件。AD7401A隔離式Σ-Δ調(diào)制器基于ADI耦合器技術，差分輸入范圍為±250 mV（通常用于OCP的±320 mV滿量程），非常適合阻性分流測量。模擬輸入由模擬調(diào)制器連續(xù)采樣，輸入信息以數(shù)據(jù)速率高達20 MHz的密度包含在數(shù)字輸出流中。原始信息可以用適當?shù)臄?shù)字濾波器重建，通常是Sinc。?3用于精密電流測量的濾波器。由于轉(zhuǎn)換性能可以與帶寬或濾波器群延遲進行權衡，因此更粗糙、更快的濾波器可以提供2μs量級的快速響應OCP，非常適合IGBT保護。

要求減小分流電阻器尺寸

從信號測量方面來看，分流電阻器選擇存在一些關鍵挑戰(zhàn)，因為在靈敏度和功耗之間需要權衡。較大的電阻值將確保使用Σ-Δ調(diào)制器的整個范圍或盡可能多的模擬輸入范圍，從而最大化動態(tài)范圍。然而，較大的電阻值也會導致電壓降和效率降低，因為 I2電阻的× R損耗。使用較大的電阻器時，通過自熱效應實現(xiàn)非線性也可能是一個挑戰(zhàn)。因此，系統(tǒng)設計人員面臨著權衡取舍的問題，而選擇能夠為不同電流水平的許多型號和電機提供服務的分流器尺寸是常見的需求，這進一步加劇了這種情況。面對可能是電機額定電流幾倍的峰值電流以及需要可靠地捕獲兩者，保持動態(tài)范圍也具有挑戰(zhàn)性。系統(tǒng)開啟時控制峰值電流的能力因設計而異，從嚴格控制（例如，高于標稱值30%）到高達標稱電流的10倍。峰值電流也是由加速度和負載或扭矩變化引起的。然而，在驅(qū)動設計中，系統(tǒng)中的峰值電流通常為標稱電流的4倍。

面對這些挑戰(zhàn)，系統(tǒng)設計人員正在尋找具有更寬動態(tài)范圍或改進信噪比和失真比（SINAD）的卓越Σ-Δ調(diào)制器。迄今為止，隔離式Σ-Δ調(diào)制器產(chǎn)品已提供16位分辨率和高達12位有效位數(shù)（ENOB）的保證性能。

隨著在低功耗驅(qū)動器中轉(zhuǎn)向使用分流電阻器，電機驅(qū)動器制造商也希望提高驅(qū)動器的額定功率，出于性能和成本原因，可以使用這種拓撲結構。這只能通過使用小得多的分流電阻來實現(xiàn)，這需要出現(xiàn)更高性能的調(diào)制器內(nèi)核來解析信號幅度減小的問題。

系統(tǒng)設計人員，尤其是伺服設計人員，也在不斷尋求通過縮短模數(shù)轉(zhuǎn)換時間或通過與隔離式Σ-Δ調(diào)制器和分流電阻拓撲相關的數(shù)字濾波器減少群延遲來改善系統(tǒng)響應。如前所述，轉(zhuǎn)換性能可以與帶寬或濾波器群延遲進行權衡。更粗糙、更快的濾波器可以提供更快的響應，但以犧牲性能為代價。系統(tǒng)設計人員分析濾波器長度或抽取率的影響，然后根據(jù)其最終應用需求做出權衡。提高調(diào)制器的時鐘速率會有所幫助，但許多設計人員已經(jīng)以AD7401A可接受的20 MHz最大時鐘速率工作。提高時鐘速率的缺點之一是潛在的輻射和干擾（EMI）效應。在相同時鐘速率下，更高性能的調(diào)制器將改善群延遲與性能的權衡，從而縮短響應時間，同時減少對性能的影響。

業(yè)界性能最高的隔離式Σ-Δ調(diào)制器

很明顯，更高性能的隔離式Σ-Δ調(diào)制器將支持工業(yè)電機控制設計中的多種需求和趨勢，并通過減小分流電阻器尺寸來提高電機驅(qū)動器的功率效率;改進的無傳感器控制方案;實現(xiàn)高效內(nèi)部永磁電機 （IPM） 的控制。ADI公司的AD7403是AD7401A的下一代產(chǎn)品，在20 MHz的相同外部時鐘速率下提供更寬的動態(tài)范圍。這允許更靈活的分流器尺寸選擇，優(yōu)化驅(qū)動器與電機的匹配，改進標稱電流和峰值電流測量，減少單個分流器尺寸對一系列電機型號的影響，并允許在更高電流水平下使用分流電阻代替HE傳感器。通過減少測量延遲，還可以改善動態(tài)響應。AD7403還具有更高連續(xù)工作電壓（VIORM），比上一代AD7400A和AD7401A，通過使用更高的直流總線電壓，從而降低電機電流，也有助于提高系統(tǒng)效率。

更廣泛的系統(tǒng)解決方案，包括ADSP-CM40x混合信號控制處理器

如前所述，Σ-Δ調(diào)制器的實現(xiàn)需要在系統(tǒng)中使用數(shù)字濾波器。傳統(tǒng)上，這是通過FPGA或數(shù)字ASIC實現(xiàn)的。ADSP-CM408F混合信號控制處理器的問世，該處理器包括硬件Sinc。3AD740x系列隔離式Σ-Δ調(diào)制器可以直接連接的濾波器，可能會提高電阻分流檢測技術與隔離式Σ-Δ調(diào)制器的采用率。如前所述，由于數(shù)字域中的系統(tǒng)復雜性和相關（FPGA）成本更高，這種技術傳統(tǒng)上被認為是昂貴的。ADSP-CM408F是一種經(jīng)濟高效的解決方案，應使許多設計人員能夠考慮電阻分流檢測，而這些設計人員以前受成本目標的限制。

審核編輯：郭婷