Σ-Δ調(diào)制器能否提高運(yùn)動(dòng)控制效率

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(chǎng)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)。

圖1. 工業(yè)驅(qū)動(dòng)應(yīng)用圖譜

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(kāi)關(guān)瞬變方面的需求也相同。

圖2. 通用電機(jī)控制信號(hào)鏈

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(xiàn)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(lèi)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(lèi)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)。

圖3. 隔離式和非隔離式電機(jī)電流反饋

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(mǎn)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(xiàn)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(mǎn)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(mǎn)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(xiàn)電壓和更低的電流來(lái)提高系統(tǒng)效率。

圖4. 高性能二階Σ-Δ調(diào)制器AD7403

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。