調(diào)制器提高運(yùn)動(dòng)控制效率設(shè)計(jì)方案介紹。

      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)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、模數(shù)轉(zhuǎn)換器選擇、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)（HE）傳感器以及電流互感器（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。為限制分流電阻功率損耗的信號(hào)電平衰減通常將分流應(yīng)用損耗限制為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。

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ADC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?？蓪⑵鋸?到10位的優(yōu)質(zhì)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。由于轉(zhuǎn)換性能可與帶寬或?yàn)V波器群延遲進(jìn)行交換，因此更粗略、更快速的濾波器能夠以大約2μs的時(shí)間提供快速OCP響應(yīng)，非常適合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(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。

圖4：高性能二階Σ-Δ調(diào)制器AD7403

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