Σ-Δ調(diào)制器提高運(yùn)動(dòng)控制效率

Nicola O’Byrne ADI公司高級(jí)系統(tǒng)應(yīng)用 工程師

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。變量的選擇和所需的測(cè)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(bào)道，電機(jī)占全球總能耗的40%，國(guó)際法規(guī)越來(lái)越注重全體工業(yè)運(yùn)動(dòng)應(yīng)用的系統(tǒng)效率(參見(jiàn)圖1)。

各種電機(jī)控制信號(hào)鏈拓?fù)渲械碾娏骱碗妷簷z測(cè)技術(shù)會(huì)因電機(jī)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(gè)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(jī)控制信號(hào)鏈實(shí)現(xiàn)方案也不相同。雖然隔離要求通常對(duì)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(diǎn)是如何改善電流檢測(cè)(作為一個(gè)影響因素)來(lái)實(shí)現(xiàn)更高效的電機(jī)控制系統(tǒng)。

電流和電壓測(cè)量

圖2所示為一個(gè)通用電機(jī)控制信號(hào)鏈。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。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，因此在隔離電壓和開關(guān)瞬變方面的需求也相同。

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)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(huì)引起損耗，但它是所有傳感器中最具線性、成本最低且同時(shí)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。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(jī)電流測(cè)量節(jié)點(diǎn)有很多選擇，如圖3所示，其中以直接同相繞組電流測(cè)量最為理想，可用于高性能系統(tǒng)。

有許多拓?fù)淇捎脕?lái)檢測(cè)電機(jī)電流，并需考慮多種因素，例如成本、功耗以及性能水平，但對(duì)大多數(shù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員而言，一個(gè)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(jì)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(jì)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(jì)人員往往會(huì)選擇隔離式放大器，并繼續(xù)使用之前在基于霍爾效應(yīng)傳感器的設(shè)計(jì)中使用的模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)。這種情況下，無(wú)論模數(shù)轉(zhuǎn)換性能如何，設(shè)計(jì)性能都會(huì)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(jì)，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(diào)制器輸出所需的數(shù)字濾波器，以實(shí)現(xiàn)快速過(guò)流保護(hù)(OCP)環(huán)路，從而無(wú)需模擬過(guò)流保護(hù)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(cè)量。模擬調(diào)制器對(duì)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(guò)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?yàn)V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(jí)提供快速OCP響應(yīng)，非常適用于IGBT保護(hù)。

縮小分流電阻尺寸

從信號(hào)測(cè)量方面來(lái)看，一些主要難題與分流電阻的選擇有關(guān)，因?yàn)樾枰獙?shí)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(huì)是使用較大電阻所面臨的挑戰(zhàn)。因此，設(shè)計(jì)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(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。

面對(duì)這些難題，系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員非常需要具有更寬動(dòng)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(jī)控制設(shè)計(jì)中的多種需求，并可通過(guò)縮小分流電阻尺寸來(lái)提高電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的功效。ADI公司的調(diào)制器AD7403就是一個(gè)很好的工業(yè)應(yīng)用實(shí)例(參見(jiàn)圖4)。它是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，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(guò)縮短測(cè)量延遲改善動(dòng)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(guò)使用更高的直流總線電壓和更低的電流來(lái)提高系統(tǒng)效率。

采用ADSP-CM40x混合信號(hào)控制處理器的系統(tǒng)解決方案

如前所述，實(shí)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(lái)實(shí)現(xiàn)。ADI公司混合信號(hào)控制處理器ADSP-CM408F的出現(xiàn)將改變這種設(shè)計(jì)方式，因?yàn)樗琒inc濾波器硬件，可直接連接調(diào)制器。這有望加快運(yùn)用阻性分流器和Σ-Δ調(diào)制器的電流檢測(cè)技術(shù)的普及。

作者簡(jiǎn)介

Nicola O’ Byrne是ADI公司高級(jí)系統(tǒng)應(yīng)用工程師，辦公地點(diǎn)在愛(ài)爾蘭科克市。聯(lián)系方式：
nicola.obyrne@analog.com 。