Σ-Δ調制器提高運動控制效率

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)。

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。

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)。

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。

F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(chǎn)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(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(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。

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。