分享適用于工業(yè)運(yùn)動(dòng)控制的測(cè)量技術(shù)分析介紹

工業(yè)運(yùn)動(dòng)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(dòng)控制的工廠自動(dòng)化以及高級(jí)自動(dòng)化應(yīng)用(如具有高級(jí)伺服控制的機(jī)器人)。這些系 統(tǒng)需要檢測(cè)和反饋多個(gè)變量，例如電機(jī)繞組電流或電壓、 直流鏈路電流或電壓、轉(zhuǎn)子位置和速度。在諸如增值功能 (如狀態(tài)監(jiān)控)等考慮因素中，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)雜度將決定變量的選擇和所需的測(cè) 量精度。據(jù)報(bào)道，電機(jī)占全球總能耗的40%，國(guó)際法規(guī)越 來(lái)越注重整個(gè)工業(yè)運(yùn)動(dòng)應(yīng)用的系統(tǒng)效率，因此，這些變量 越來(lái)越重要，特別是電流和電壓。

本文將根據(jù)電機(jī)額定功率、系統(tǒng)性能要求以及終端應(yīng)用， 重點(diǎn)討論各種電機(jī)控制信號(hào)鏈拓?fù)渲械碾娏髋c電壓檢測(cè)。 在此情況下，電機(jī)控制信號(hào)鏈的實(shí)現(xiàn)會(huì)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) 功耗和接地劃分的不同而有所差異。

圖1.工業(yè)驅(qū)動(dòng)應(yīng)用圖譜

工業(yè)驅(qū)動(dòng)器應(yīng)用圖譜

從簡(jiǎn)單的逆變器到復(fù)雜的伺服驅(qū)動(dòng)器，電機(jī)控制應(yīng)用涵蓋 一系列電機(jī)類型，但所有電機(jī)均包含特定功率級(jí)的電機(jī)控 制系統(tǒng)，以及具有不同級(jí)別的檢測(cè)和反饋，可驅(qū)動(dòng)脈沖寬 度調(diào)制器(PWM)模塊的處理器。圖1為應(yīng)用圖譜的簡(jiǎn)化圖， 展示了復(fù)雜度從左至右逐步提高的各種系統(tǒng)，首先是簡(jiǎn)單 的控制系統(tǒng)，如無(wú)需精密反饋僅使用簡(jiǎn)單微處理器即可實(shí)現(xiàn)的泵、風(fēng)扇和壓縮機(jī)。隨著系統(tǒng)復(fù)雜度的提高(即移向圖 譜的較高端)，復(fù)雜控制系統(tǒng)要求精確反饋和高速通信接 口。例如帶傳感器或不帶傳感器的矢量控制感應(yīng)電機(jī)或永 磁電機(jī)，以及針對(duì)圖1中所示效率而設(shè)計(jì)的高功率工業(yè)驅(qū) 動(dòng)器(如大型泵、風(fēng)扇和壓縮機(jī))。圖譜的最高端為復(fù)雜的 伺服驅(qū)動(dòng)器，用于機(jī)器人、機(jī)床以及貼片機(jī)器等應(yīng)用。隨 著系統(tǒng)復(fù)雜度的提高，變量的檢測(cè)和反饋?zhàn)兊迷絹?lái)越關(guān)鍵。

驅(qū)動(dòng)器架構(gòu)系統(tǒng)劃分

我們?cè)谠O(shè)計(jì)滿足各種工業(yè)運(yùn)動(dòng)控制應(yīng)用需求的系統(tǒng)時(shí)可能 會(huì)遇到各種問(wèn)題。通用電機(jī)控制信號(hào)鏈如圖2所示。

圖2.通用電機(jī)控制信號(hào)鏈

隔離要求非常重要，通常對(duì)產(chǎn)生的電路拓?fù)浜图軜?gòu)具有顯 著影響。需要考慮兩個(gè)關(guān)鍵因素：隔離的原因和位置。

隔離分類的要求取決于前者?？赡芤?a target="_blank">高壓安全隔離 (SELV)以防電擊，或功能隔離以便在非致命電壓之間進(jìn)行 電平轉(zhuǎn)換，或?yàn)閷?shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)完整性并消除噪音而要求進(jìn)行隔 離。隔離位置通常由系統(tǒng)的預(yù)期性能決定。電機(jī)控制通常 是在充滿電噪聲的惡劣環(huán)境中進(jìn)行，采用的設(shè)計(jì)通常需承 受數(shù)百伏的共模電壓，可能會(huì)在超過(guò)20 kHz的頻率下切換，并具有極高的瞬態(tài)dv/dt上升時(shí)間。為此，性能較高的系統(tǒng) 和固有噪聲較高的大功率系統(tǒng)通常會(huì)設(shè)計(jì)為具有與控制級(jí) 相隔離的功率級(jí)。無(wú)論是采用單處理器還是雙處理器設(shè)計(jì)都 會(huì)影響隔離位置。在性能較低的低功耗系統(tǒng)中，通常是在數(shù) 字通信接口上進(jìn)行隔離，這意味著功率級(jí)和控制級(jí)處于同一 電位。低端系統(tǒng)需隔離的通信接口帶寬較低。由于高端系統(tǒng) 要求具有較高帶寬，且傳統(tǒng)隔離技術(shù)具有局限性，因此，隔 離高端系統(tǒng)的通信端口通常會(huì)比較困難。但是隨著磁性隔離 的CAN和RS-485收發(fā)器產(chǎn)品(如www.analog.com/icoupler上 ADI公司的產(chǎn)品)的問(wèn)世，情況正在發(fā)生變化。

在高性能閉環(huán)電機(jī)控制設(shè)計(jì)中，兩個(gè)關(guān)鍵的元件構(gòu)成為 PWM調(diào)制器輸出和電機(jī)相位電流反饋。圖3a和圖3b展示了 需要進(jìn)行安全隔離的位置，具體位置取決于控制級(jí)是與功 率級(jí)共享相同的電位還是以接地為基準(zhǔn)。無(wú)論何種情況， 高端柵極驅(qū)動(dòng)器和電流檢測(cè)節(jié)點(diǎn)都需要隔離，但是圖3a中 的隔離等級(jí)不同，這些節(jié)點(diǎn)只需進(jìn)行功能隔離，而在圖3b 中，這些節(jié)點(diǎn)的人員安全隔離(即電流隔離)至關(guān)重要。

圖3b.以接地為基準(zhǔn)的控制級(jí)

電流和電壓檢測(cè)的測(cè)量技術(shù)與拓?fù)?/p>

除上文所述的系統(tǒng)功率和接地劃分外，為檢測(cè)電流和電壓 而實(shí)現(xiàn)的信號(hào)鏈還會(huì)因傳感器選擇、電流隔離要求、ADC 選擇以及系統(tǒng)集成的不同而有所差異。為實(shí)現(xiàn)高保真測(cè)量 而進(jìn)行的信號(hào)調(diào)理并非易事。例如，在如此嘈雜的環(huán)境中 恢復(fù)小信號(hào)或傳送數(shù)字信號(hào)就非常具有挑戰(zhàn)性，而隔離模 擬信號(hào)則是更大的挑戰(zhàn)。在許多情況下，信號(hào)隔離電路會(huì) 引起相位延遲使得系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能受限的。相位電流檢測(cè)尤 其困難，因?yàn)樵摴?jié)點(diǎn)連接的電路節(jié)點(diǎn)與功率級(jí)(逆變器模 塊)核心中的柵極驅(qū)動(dòng)器輸出的節(jié)點(diǎn)相同，因此在隔離電源 和開(kāi)關(guān)瞬變方面的需求也相同。通常根據(jù)以下三個(gè)關(guān)鍵因 素來(lái)確定需在電機(jī)控制系統(tǒng)中實(shí)施的測(cè)量信號(hào)鏈(技術(shù)、信 號(hào)調(diào)理和ADC)：

1、決定測(cè)量需求的系統(tǒng)中的點(diǎn)或節(jié)點(diǎn)。

2、電機(jī)功率水平以及最終選擇的傳感器(本身是否具有 隔離功能)。傳感器選擇在很大程度上影響著ADC的 選擇，包括轉(zhuǎn)換器架構(gòu)、功能以及模擬輸入范圍。

3 、終端應(yīng)用。這可推動(dòng)檢測(cè)信號(hào)鏈中對(duì)高分辨率、精度或速度的需要。

例如，在較大的速度范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn) 不帶傳感器的控制要求進(jìn)行更多、更頻繁、更精確 的測(cè)量。終端應(yīng)用還會(huì)影響對(duì)ADC功能的要求。例 如，多軸控制可能需要通道數(shù)更高的ADC。

電流和電壓傳感器

電機(jī)控制中最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)。雖然分流電阻具有隔離 功能且會(huì)在電流較高時(shí)出現(xiàn)損耗，但是它們是所有傳感器 中最具線性、成本最低且適用于交流和直流測(cè)量的傳感 器。為限制分流功率損耗的信號(hào)電平衰減通常將分流應(yīng)用 限制為50 A或更低。CT傳感器和HE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，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。

電機(jī)電流測(cè)量位置和拓?fù)?/p>

除傳感器類型外，還有許多可選的電機(jī)電流測(cè)量節(jié)點(diǎn)。平均直流鏈路電流即可滿足控制需求，但是在更高級(jí)的驅(qū)動(dòng) 器中，電機(jī)繞組電流用作主反饋?zhàn)兞?。直接相位繞組電流 測(cè)量是理想的選擇，可用于高性能系統(tǒng)。然而，在每個(gè)低 位逆變器引腳上使用分流器或在直流鏈路中使用單個(gè)分流 器可以間接測(cè)量繞組電流。這些方法的優(yōu)勢(shì)在于，分流信 號(hào)全都以共用電源為基準(zhǔn)，但是從直流鏈路提取繞組電流 要求采樣與PWM開(kāi)關(guān)同步。采用以上任何一種電流檢測(cè) 技術(shù)均可進(jìn)行直接相位繞組電流測(cè)量，但是必須隔離分流 電阻信號(hào)。高共模放大器可提供功能隔離，但是人員安全 隔離必須由隔離式放大器或隔離式調(diào)制器提供。

圖4.隔離式和非隔離式電機(jī)電流反饋

圖4展示了上述各類電流反饋選擇。雖然只需選擇其中一 種即可進(jìn)行控制反饋，但還可將直流鏈路電流信號(hào)用作備 份信號(hào)以進(jìn)行保護(hù)。

如前所述，系統(tǒng)功率和接地劃分將決定需要的隔離分類，并 從而判斷出適用的反饋。系統(tǒng)的目標(biāo)性能還會(huì)影響傳感器選 擇或測(cè)量技術(shù)?？v觀整個(gè)性能圖譜，還可實(shí)現(xiàn)許多配置。

低性能示例：共用電位上的功率級(jí)和控制級(jí)，檢測(cè)選項(xiàng)A或B

使用引腳分流是一種最經(jīng)濟(jì)實(shí)惠的電機(jī)電流測(cè)量技術(shù)。在本例中，功率級(jí)與控制級(jí)共享同一電位，不存在要處理的 共模，并且選項(xiàng)A或選項(xiàng)B的輸出可直接連接至信號(hào)調(diào)理電路及ADC。此類拓?fù)涑Ｒ?jiàn)于微處理器中嵌有ADC的低功耗 和低性能系統(tǒng)。

高性能示例：控制級(jí)接地，檢測(cè)選項(xiàng)C、D或E

在本例中，需要進(jìn)行人員安全隔離。檢測(cè)選項(xiàng)C、D和E均 有可能。在所有三個(gè)選項(xiàng)中，選項(xiàng)E提供最優(yōu)質(zhì)的電流反 饋，并且作為高性能系統(tǒng)，系統(tǒng)中可能存在FPGA或其他 形式的處理，可提供適用于隔離調(diào)制器信號(hào)的數(shù)字濾波 器。對(duì)于選項(xiàng)C的ADC選擇，通常采用分立式隔離傳感器 (很可能是閉環(huán)HE)，以實(shí)現(xiàn)比使用當(dāng)前嵌入式ADC產(chǎn)品更 高的性能。與共模放大器相比，該配置中的選項(xiàng)D為隔離 式放大器，因?yàn)樾枰M(jìn)行安全隔離。隔離式放大器會(huì)使性 能受限，因此嵌入式ADC解決方案便可滿足需要。與選項(xiàng) C或E相比，該選項(xiàng)可提供保真度最低的電流反饋。此外， 雖然可將嵌入式ADC視為“免費(fèi)”，將隔離式放大器視為“廉 價(jià)”，但實(shí)施時(shí)通常還需要額外的組件進(jìn)行偏移補(bǔ)償和電 平轉(zhuǎn)換，以進(jìn)行ADC輸入范圍匹配，從而提高了信號(hào)鏈的 總體成本。

在電機(jī)控制設(shè)計(jì)中，可采用許多拓?fù)錂z測(cè)電機(jī)電流，并需 考慮多種因素，例如成本、功率水平以及性能水平。大多 數(shù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員的重要目標(biāo)是改善電流檢測(cè)反饋，以在其 成本目標(biāo)范圍內(nèi)提高效率。對(duì)于較高端的應(yīng)用，電流反饋 不僅對(duì)于效率，而且對(duì)于其他系統(tǒng)性能測(cè)量(如動(dòng)態(tài)響應(yīng)、 噪聲或轉(zhuǎn)矩波動(dòng))也至關(guān)重要。很顯然，在各種可用的拓?fù)?中，存在性能由低到高的連續(xù)體，圖5為粗略映射圖，展 示了低功率和高功率選項(xiàng)。

圖5.電流檢測(cè)拓?fù)湫阅軋D譜

電機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員目標(biāo)、需求以及發(fā)展趨 勢(shì)：從HE傳感器轉(zhuǎn)換至分流電阻

與隔離式∑-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，電流電平足夠低，完全可滿足分流需求。目 前，系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員的明顯傾向于從HE傳感器轉(zhuǎn)換至分流電 阻，并且與隔離式放大器方案相比，設(shè)計(jì)人員還傾向于采 用隔離式調(diào)制器方案。僅僅更換傳感器本身就可降低物料 清單(BOM)和PCB裝配成本并提高傳感器的精度。分流電 阻對(duì)磁場(chǎng)或機(jī)械振動(dòng)均不敏感。將HE傳感器替換為分流電 阻的系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員往往會(huì)選擇隔離式放大器，并繼續(xù)使用 之前在基于HE傳感器的設(shè)計(jì)中使用的ADC來(lái)限制信號(hào)鏈 中的電平變化。然而，如前所述，無(wú)論ADC性能如何，該性能都將受到隔離式放大器性能的限制。

而且進(jìn)一步將隔離式放大器和ADC替換為隔離式∑-Δ調(diào)制 器可消除性能瓶頸，并大大改善設(shè)計(jì)，通常可將其從9到 10位的優(yōu)質(zhì)反饋提升到12位。此外，還可配置處理∑-Δ調(diào) 制器輸出所需的數(shù)字濾波器，以實(shí)現(xiàn)快速OCP環(huán)路，從而 消除模擬過(guò)流保護(hù)(OCP)電路。因此，任何BOM分析不僅 應(yīng)包括隔離式放大器、原始ADC、兩者之間的信號(hào)調(diào)理， 而且還應(yīng)包括可消除的OCP設(shè)備。AD701A隔離式∑-Δ調(diào)制 器基于ADI公司的iCoupler技術(shù)，具有±250 mV(通常用于OCP 的±320 mV滿量程)的差分輸入范圍，特別適合阻性分流器測(cè) 量，是擴(kuò)大此趨勢(shì)的理想產(chǎn)品選擇。模擬調(diào)制器對(duì)模擬輸 入持續(xù)取樣，而輸入信息則以數(shù)據(jù)流密度的形式包含在數(shù) 字輸出流內(nèi)，其數(shù)據(jù)速率最高可達(dá)20 MHz。通過(guò)適當(dāng)?shù)臄?shù) 字濾波器(通常為適用于精密電流測(cè)量的Sinc3濾波器)可重 構(gòu)原始信息。由于可在轉(zhuǎn)換性能和帶寬或?yàn)V波器群延遲之 間作出權(quán)衡，因此更簡(jiǎn)略、更快的濾波器能夠以2 μs的數(shù)量 級(jí)提供快速OCP響應(yīng)，非常適用于IGBT保護(hù)。

對(duì)縮小分流電阻尺寸的需求

從信號(hào)測(cè)量方面來(lái)看，目前的一些主要難題與選擇分流電 阻有關(guān)，因?yàn)樾枰獙?shí)現(xiàn)靈敏度和功耗之間的平衡。大阻值 將確保使用∑-Δ調(diào)制器的整個(gè)或盡量大的模擬輸入范圍， 從而獲得最大的動(dòng)態(tài)范圍。但是，由于電阻會(huì)出現(xiàn)I2 × R的 損耗，因此，大阻值還會(huì)導(dǎo)致電壓下降和效率降低。電阻自身的發(fā)熱效應(yīng)而導(dǎo)致的非線性情況也會(huì)是使用較大電阻 所面臨的挑戰(zhàn)。因此，系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員面臨著左右權(quán)衡取舍 以及進(jìn)一步惡化的后果，他們往往需要選擇一個(gè)適當(dāng)大小 的分流電阻，以滿足不同電流電平下各種型號(hào)和電機(jī)的需 求。如果面對(duì)數(shù)倍于電機(jī)額定電流的峰值電流，并需要可 靠捕獲兩者的值，則保持動(dòng)態(tài)范圍也是一個(gè)難題?？刂葡?統(tǒng)開(kāi)機(jī)峰值電流的能力會(huì)因設(shè)計(jì)不同而有很大差異，從額 定電流以上浮動(dòng)諸如30%的嚴(yán)格控制，到高達(dá)10倍于額定 電流的系數(shù)。加速以及負(fù)載或扭矩變化也會(huì)產(chǎn)生峰值電 流。但是，系統(tǒng)中的峰值電流通常處于驅(qū)動(dòng)器設(shè)計(jì)額定電 流的4倍范圍內(nèi)。

面對(duì)這些難題，系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員正在尋找具有更寬動(dòng)態(tài)范圍 或具有更高信噪比和信納比(SINAD)的高性能∑-Δ調(diào)制器。 最新的隔離式∑-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。

SINAD = (6.02 N + 1.76) dB，其中N = ENOB

順應(yīng)在低功耗驅(qū)動(dòng)器中使用分流電阻的趨勢(shì)，電機(jī)驅(qū)動(dòng)器 制造商出于性能和成本方面的考慮，也在設(shè)法提高可利用 該拓?fù)涞尿?qū)動(dòng)器的額定功率。唯一可行的方法就是使用阻 值更小的分流電阻，而這需要引進(jìn)性能更高的調(diào)制器內(nèi) 核，以辨識(shí)減弱的信號(hào)幅度。

系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員(尤其是伺服設(shè)計(jì)人員)仍在不斷探索，試圖 通過(guò)縮短模數(shù)轉(zhuǎn)換時(shí)間，或者通過(guò)采用與隔離型∑-Δ調(diào)制 器和分流電阻拓?fù)溆嘘P(guān)的數(shù)字濾波器降低群延遲的方式提 高系統(tǒng)響應(yīng)。如前所述，可在轉(zhuǎn)換性能和帶寬或?yàn)V波器群 延遲之間作出權(quán)衡。更簡(jiǎn)略、更快的濾波器可提供更快的 響應(yīng)，但會(huì)降低性能。系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員分析濾波器波長(zhǎng)或抽 取比的效果，然后根據(jù)其終端應(yīng)用需求作出權(quán)衡。提高調(diào) 制器的時(shí)鐘速率會(huì)有所幫助，但是許多設(shè)計(jì)人員已實(shí)現(xiàn)在 AD7401A支持的20 MHz最高時(shí)鐘速率下操作。提高時(shí)鐘速 率的一個(gè)缺點(diǎn)就是輻射電位和干擾(EMI)效應(yīng)。在相同的 時(shí)鐘速率下，性能較高的調(diào)制器可改善群延遲與性能之間 存在的權(quán)衡關(guān)系，從而在性能影響較小的情況下實(shí)現(xiàn)更快 的響應(yīng)時(shí)間。

業(yè)界性能最優(yōu)的隔離式∑-Δ調(diào)制器

顯然，通過(guò)縮小分流電阻的大小、改進(jìn)無(wú)傳感器控制方 案、實(shí)現(xiàn)對(duì)高效內(nèi)部永磁電機(jī)(IPM)的控制，性能更高的 隔離式∑-Δ調(diào)制器可滿足工業(yè)電機(jī)設(shè)計(jì)中的多種需求和發(fā) 展要求，并可提高電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的功效。ADI公司的AD7403 產(chǎn)品是AD7401A的新一代產(chǎn)品，可在相同的20 MHz外部時(shí) 鐘速率下提供更寬的動(dòng)態(tài)范圍。這使設(shè)計(jì)人員可以更為靈 活地選擇分流電阻大小，優(yōu)化驅(qū)動(dòng)器與電機(jī)的匹配，提高 額定電流與峰值電流的測(cè)量精度，減少適用于一系列電機(jī) 型號(hào)的單個(gè)分流電阻大小的影響，并能夠在更高電流電平 下使用分流電阻替換HE傳感器。此外，還可通過(guò)縮短測(cè)量 延遲提高動(dòng)態(tài)響應(yīng)。與上一代AD7400A和AD7401A相比， AD7403的隔離方案還可使用更高的連續(xù)工作電壓(VIORM)， 從而可通過(guò)使用更高的直流總線電壓和更低的電機(jī)電流提 高系統(tǒng)效率。

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

如前所述，實(shí)施∑-Δ調(diào)制器要求系統(tǒng)中配備數(shù)字濾波器。 通?？墒褂肍PGA或數(shù)字ASIC實(shí)現(xiàn)。ADSP-CM408F混合信 號(hào)控制處理器(包含Sinc3濾波器硬件，可直接連接AD740x 系列的隔離式∑-Δ調(diào)制器)的出現(xiàn)有可能加快與隔離式∑-Δ 調(diào)制器耦合的阻性分流器電流檢測(cè)技術(shù)的普及。如本文中 所述，由于會(huì)提高數(shù)字域系統(tǒng)的復(fù)雜度和相關(guān)的(FPGA)成 本，設(shè)計(jì)人員過(guò)去一直認(rèn)為阻性分流器電流檢測(cè)技術(shù)較為 昂貴。ADSP-CM408F是性價(jià)比較高的解決方案，可使許多 以往受限于成本目標(biāo)的設(shè)計(jì)人員考慮使用該技術(shù)。