電機控制中電流采樣原理解析

電力電子與電力傳動專業(yè)碩士研究生，一個從事了20多年的功率控制的工程小兵，有多年的電機驅(qū)動和電源控制經(jīng)驗，專注電力電子控制方向。

電機控制中電流采樣

電流采樣是控制系統(tǒng)的主反饋，對精度、響應(yīng)速度、同步性都有要求。

電流采樣需要直接測量主回路功率器件部位，常用的電流傳感器為分流電阻、霍爾效應(yīng)(HE)傳感器以及電流互感器(CT)。

CT傳感器和HE傳感器可提供固有的隔離,但是它們的成本更高,并且采用此類傳感器的解決方案在精度上不及采用分流電阻的解決方案。

Σ-Δ隔離采樣是將分流電阻電壓轉(zhuǎn)換為調(diào)制脈沖信號，采用數(shù)字隔離方式實現(xiàn)采樣與隔離。

Σ-Δ電流采樣優(yōu)點

容易實現(xiàn)模擬隔離采樣：

主回路的開關(guān)噪聲對控制電路干擾大，會影響系統(tǒng)穩(wěn)定性和控制精度，隔離Σ-Δ采樣可以實現(xiàn)控制與主回路隔離。

隔離Σ-Δ轉(zhuǎn)換器是采用脈沖輸出方式傳輸信號，通過數(shù)字隔離芯片的原理實現(xiàn)隔離，較模擬隔離成本低而且失真小。

Σ-Δ轉(zhuǎn)換器是采用積分（累加）方式轉(zhuǎn)換模擬信號，對開關(guān)噪聲干擾抑制有天然優(yōu)勢。

屬于外置模數(shù)轉(zhuǎn)換，較MCU集成ADC結(jié)構(gòu)，不受MCU芯片中數(shù)字部分信號干擾，AD轉(zhuǎn)換結(jié)果更加穩(wěn)定準(zhǔn)確。

Σ-Δ轉(zhuǎn)換器已經(jīng)實現(xiàn)國產(chǎn)化，成本價格大幅下降。

Σ-Δ工作原理

1-bit DAC的輸出只有兩種電壓，取決于給它提供的電壓基準(zhǔn)Vref+和Vref-：

輸入為0，輸出為Vref-

輸入為1，輸出為Vref+

sigma-delta調(diào)制的運算過程：

輸入與1-bit DAC相減，得到誤差

對誤差積分

積分結(jié)果與0比較，輸出調(diào)制信號

同時，調(diào)制信號再通過1-bit DAC反饋到輸入側(cè)，與輸入相減

Σ-Δ特性

Σ-Δ轉(zhuǎn)換器是1位采樣系統(tǒng)，轉(zhuǎn)換器對其進行多次采樣，這種技術(shù)稱為過采樣。采樣率比輸出端口的數(shù)字結(jié)果快數(shù)百倍。

Σ-Δ轉(zhuǎn)換器有兩個數(shù)字接口：MDAT串行數(shù)據(jù)輸出、MCLK主機時鐘邏輯輸入或輸出。

Σ-Δ濾波器常用的模式有以下三種：SINC2、SINC3、SINCfast。SINC2、SINC3多用于電流采樣；SINCfast在3-5bit ENOB建立時間最短，更適合過流或短路保護。

如何實現(xiàn)

？

01

SDM信號接收單元

SDM 模塊包含了 4 個彼此獨立的濾波器環(huán)節(jié)，可以同時對4 路的∑Δ信號進行解碼。

每一個通道含有獨立、可配置的第一濾波器 (PCM_CIC 數(shù)據(jù)濾波器) 單元。支持Sinc1 /Sinc2 /SincFast /Sinc3四種模式，OSR在 1–256 之間。

每一個通道含有獨立、可配置的第二濾波器 (AMP_CIC+ 比較器) 單元。可同時監(jiān)測：高門限越界、低門限越界、過零門限這三種事件。這些監(jiān)測信號可連接至互聯(lián)管理器后可以用來產(chǎn)生推動后繼的相應(yīng)控制邏輯。過采樣率（OSR）可在 1–32 之間配置。

02

PCM_CIC 數(shù)據(jù)濾波器配置

Σ-Δ轉(zhuǎn)換器的MCLK可以由clock_ref功能由引腳從內(nèi)部PLL直接分配輸出。時鐘精度更高，抖動更小。

MCLK、MDAT需要設(shè)置為雙時鐘同步后再使用，否則容易產(chǎn)生數(shù)據(jù)錯誤故障報警。在sdm_get_default_module_control（）已經(jīng)配置完成。

采樣模式根據(jù)Σ-Δ轉(zhuǎn)換器配置即可，一般是下降沿。

03

PCM_CIC 數(shù)據(jù)濾波器配置

Σ-Δ濾波器可以選擇連續(xù)采樣，連續(xù)采樣不建議使用FIFO；也可以選擇同步采樣，實現(xiàn)數(shù)據(jù)通路的數(shù)據(jù)采樣與外部事件（PWM同步） 實現(xiàn)電流采樣與PWM相位同步，同時減少中斷對CPU時間的占用。

當(dāng)同步采樣時，置位CH[x][SDCTRLP[FFSYNCCLREN]]，新的觸發(fā)事件會自動清除 FIFO 內(nèi)容。

下圖為同步使能時的配置

04

AMP_CIC幅值通路配置

幅值通路是用來監(jiān)控的輸入并快速響應(yīng)，實現(xiàn)過流保護。

幅值通路沒有同步事件控制， 同時支持Sinc1、Sinc2、Sinc3、和 SincFast 類型。

幅值通道 Sinc 濾波器輸出的幅值信號可直接實時地從 CH[x][SCAMP] 讀出，沒有FIFO 作為緩存。

下圖是上限保護配置，閾值是中間位（128）+0.7*最大幅值。

05

中斷處理

幅值通路和數(shù)據(jù)通路是共用一個中斷源，需要通過標(biāo)志位確認(rèn)中斷產(chǎn)生原因。

06

與PWM互聯(lián)

SDM與PWM互聯(lián)可以實現(xiàn)以下功能：采樣同步、故障輸出保護。

采樣同步的同步觸發(fā)源是CH[SDCTRLP].SYNCSEL是互聯(lián)管理器輸出中的SDM_TRG0-15序列，即trig_mux0觸發(fā)0-3，trig_mux1觸發(fā)4-7，trig_mux2觸發(fā)8-11，trig_mux3觸發(fā)12-15。

故障輸出可以根據(jù)需要配置高低限報警。

總 結(jié)

Σ-Δ濾波對PWM產(chǎn)生的干擾有更好的抑制作用，便捷實現(xiàn)高低壓隔離，外置采樣電路具有更高的精度。

相較于FPGA的Σ-Δ接口，HPM6200中的SDM模塊具更多的濾波器模式選擇，支持Sinc1、Sinc2、SincFast、Sinc3多種模式；SDM模塊不僅支持連續(xù)采樣模式，同時可與內(nèi)部PWM相位的準(zhǔn)確同步，令電流控制更準(zhǔn)確，更改PWM載波頻率更方便。

HPM6200為高算力MCU，SDM模塊的采樣頻率可達200Mhz，MCLK最高可以設(shè)置到20Mhz（Manchester 模式除外），在確保采樣精度的前提下可以更短的時間內(nèi)完成轉(zhuǎn)換。

HPM6200中的SDM包含幅值模塊，集成了過流保護功能，降低控制成本，優(yōu)化控制電路面積。

審核編輯：湯梓紅