Σ-Δ調(diào)制器提高運(yùn)動控制效率

工業(yè)運(yùn)動控制涵蓋了廣泛的應(yīng)用，從基于逆變器的風(fēng)扇或泵控制，到具有更復(fù)雜的交流驅(qū)動控制的工廠自動化，再到具有復(fù)雜伺服控制的機(jī)器人等高級自動化應(yīng)用。這些系統(tǒng)需要對許多變量進(jìn)行檢測和反饋，例如電機(jī)繞組電流或電壓、直流母線電流或電壓、轉(zhuǎn)子位置和速度。變量的選擇和所需的測量精度取決于最終應(yīng)用需求、系統(tǒng)架構(gòu)、目標(biāo)系統(tǒng)成本或系統(tǒng)復(fù)雜性。還有其他考慮因素，例如狀態(tài)監(jiān)測等增值功能。據(jù)報道，電機(jī)消耗了全球40%的電力，國際法規(guī)對整個工業(yè)運(yùn)動應(yīng)用的系統(tǒng)效率更加關(guān)注（見圖1）。

圖1.工業(yè)驅(qū)動應(yīng)用范圍。

各種電機(jī)控制信號鏈拓?fù)渲械碾娏骱碗妷簷z測技術(shù)因電機(jī)額定功率、系統(tǒng)性能要求和最終應(yīng)用而異。在這種情況下，電機(jī)控制信號鏈的實(shí)現(xiàn)因傳感器選擇、電流隔離要求、ADC選擇、系統(tǒng)集成和系統(tǒng)電源/接地分區(qū)而異。雖然隔離要求通常會對最終的電路拓?fù)浜图軜?gòu)產(chǎn)生重大影響，但本文將重點(diǎn)介紹改進(jìn)電流檢測測量（作為其中一個影響因素），以實(shí)現(xiàn)更高效的電機(jī)控制系統(tǒng)。

I 和 V 測量

通用電機(jī)控制信號鏈如圖2所示。實(shí)現(xiàn)高保真測量的信號調(diào)理并非易事。相電流檢測尤其具有挑戰(zhàn)性，因?yàn)樵摴?jié)點(diǎn)與逆變器模塊核心內(nèi)的柵極驅(qū)動器輸出連接到同一電路節(jié)點(diǎn)，因此在隔離電壓和處理開關(guān)瞬變方面具有相同的要求。

圖2.通用電機(jī)控制信號鏈。

電機(jī)控制中最常用的電流傳感器是分流電阻器、霍爾效應(yīng)傳感器 （HES） 和電流互感器 （CT）。雖然分流電阻不提供隔離并產(chǎn)生損耗，但它們是所有傳感器中線性最強(qiáng)的，成本最低，適用于交流和直流測量。限制分流功率損耗所需的信號電平降低通常會將分流應(yīng)用限制在50 A或更低。CT和HES提供固有的隔離，允許它們服務(wù)于高電流系統(tǒng)，但由于初始精度較差或溫度精度較差，因此成本更高，并且導(dǎo)致解決方案的精度低于分流電阻器所能實(shí)現(xiàn)的解決方案。除了傳感器類型外，還有幾個電機(jī)電流測量節(jié)點(diǎn)可供選擇（如圖3所示），直接同相繞組測量是理想的選擇，用于最高性能的系統(tǒng)。

圖3.隔離和非隔離電機(jī)電流反饋。

檢測電機(jī)電流的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)有很多，需要考慮許多因素，例如成本、功耗和性能水平，但大多數(shù)系統(tǒng)設(shè)計人員的一個關(guān)鍵目標(biāo)是在其成本目標(biāo)范圍內(nèi)提高效率。

從 HES 到分流電阻器

分流電阻與隔離式Σ-Δ（Σ-Δ）調(diào)制器耦合，可提供最高質(zhì)量的電流反饋（電流水平足夠低）。對于系統(tǒng)設(shè)計人員來說，從HES轉(zhuǎn)向分流電阻器是一個顯著的趨勢，另一個趨勢是轉(zhuǎn)向隔離式調(diào)制器，而不是隔離式放大器方法。通常，系統(tǒng)設(shè)計人員用分流電阻代替HES時，會選擇隔離放大器，并繼續(xù)使用以前在基于HES的設(shè)計中使用的ADC。在這種情況下，無論模數(shù)性能如何，性能都將受到隔離放大器的限制。

用隔離式Σ-Δ調(diào)制器代替隔離式放大器和ADC將消除性能瓶頸并大大改善設(shè)計，通常將其從9位至10位質(zhì)量反饋?zhàn)優(yōu)?2位電平。模擬過流保護(hù)電路（OCP）也可以被取消，因?yàn)樘幚恙?Δ調(diào)制器輸出所需的數(shù)字濾波器也可以配置為實(shí)現(xiàn)快速OCP環(huán)路。

可用的Σ-Δ調(diào)制器可能具有±250 mV的差分輸入范圍，其中±320 mV滿量程用于OCP，非常適合電阻分流測量。模擬輸入由模擬調(diào)制器連續(xù)采樣，輸入信息包含在數(shù)據(jù)速率高達(dá)20 MHz的數(shù)字輸出流中。原始信息可以用適當(dāng)?shù)臄?shù)字濾波器重建。由于轉(zhuǎn)換性能可以與帶寬或?yàn)V波器群延遲進(jìn)行權(quán)衡，因此更粗糙、更快的濾波器可以提供2 μs量級的快速響應(yīng)OCP，非常適合IGBT保護(hù)。

減小分流電阻器尺寸

從信號測量的角度來看，分流電阻的選擇存在一些關(guān)鍵挑戰(zhàn)，因?yàn)樵陟`敏度和功耗之間需要權(quán)衡。使用更高值電阻器時，自熱效應(yīng)引起的非線性也是一個挑戰(zhàn)。設(shè)計人員面臨著權(quán)衡取舍的問題，而進(jìn)一步加劇這種情況的是，通常需要選擇一種分流器尺寸，以服務(wù)于不同電流水平的許多型號和電機(jī)。面對可能是電機(jī)額定電流幾倍的峰值電流，并且需要可靠地捕獲兩者，保持動態(tài)范圍是一項(xiàng)挑戰(zhàn)。

面對這些挑戰(zhàn)，系統(tǒng)設(shè)計人員正在尋找具有更寬動態(tài)范圍或改進(jìn)信噪比和失真比（SINAD）的卓越Σ-Δ調(diào)制器。迄今為止，隔離式Σ-Δ調(diào)制器產(chǎn)品已提供16位分辨率和高達(dá)12位有效位數(shù)（ENOB）的保證性能。

高性能隔離式Σ-Δ調(diào)制器

更高性能的隔離式Σ-Δ調(diào)制器將支持工業(yè)電機(jī)控制設(shè)計中的多種需求，并通過減小分流電阻器尺寸來提高電機(jī)驅(qū)動器的功率效率。ADI公司的AD7403調(diào)制器就是一個行業(yè)示例（見圖4）。它是AD7401A的下一代產(chǎn)品，在20 MHz的相同外部時鐘速率下提供更寬的動態(tài)范圍。它允許更靈活的分流尺寸選擇，并允許在較高電流水平下使用分流電阻代替HES。芯片的ENOB通常為14.2位。通過減少測量延遲，還可以改善動態(tài)響應(yīng)。該器件還具有比上一代產(chǎn)品更高的連續(xù)工作電壓 （VIORM） 的隔離方案，可通過更高的直流總線電壓和更低的電流來提高系統(tǒng)效率。

圖4.AD7403是一款高性能、二階Σ-Δ調(diào)制器

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，Σ-Δ調(diào)制器的實(shí)現(xiàn)需要一個數(shù)字濾波器。這傳統(tǒng)上是用FPGA或ASIC實(shí)現(xiàn)的。ADI公司推出的ADSP-CM408F混合信號控制處理器將緩解這一設(shè)計問題，因?yàn)樗ㄕ{(diào)制器可直接連接的硬件sinc濾波器。這可能會導(dǎo)致電阻分流和Σ-Δ調(diào)制器技術(shù)的采用率提高。

審核編輯：郭婷