適用于工業(yè)運動控制的測量技術(shù)

阻對磁場或機械振動均不敏感。將HE傳感器替換為分流電阻的系統(tǒng)設(shè)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HE傳感器的設(shè)計中使用的ADC來限制信號鏈中的電平變化。然而，如前所述，無論ADC性能如何，該性能都將受到隔離式放大器性能的限制。

　　而且進一步將隔離式放大器和ADC替換為隔離式∑-Δ調(diào)制器可消除性能瓶頸，并大大改善設(shè)計，通?？蓪⑵鋸?到10位的優(yōu)質(zhì)反饋提升到12位。此外，還可配置處理∑-Δ調(diào)制器輸出所需的數(shù)字濾波器，以實現(xiàn)快速OCP環(huán)路，從而消除模擬過流保護(OCP)電路。因此，任何BOM分析不僅應(yīng)包括隔離式放大器、原始ADC、兩者之間的信號調(diào)理，而且還應(yīng)包括可消除的OCP設(shè)備。AD701A隔離式∑-Δ調(diào)制器基于ADI公司的iCoupler?技術(shù)，具有±250 mV(通常用于OCP的±320 mV滿量程)的差分輸入范圍，特別適合阻性分流器測量，是擴大此趨勢的理想產(chǎn)品選擇。模擬調(diào)制器對模擬輸入持續(xù)取樣，而輸入信息則以數(shù)據(jù)流密度的形式包含在數(shù)字輸出流內(nèi)，其數(shù)據(jù)速率最高可達20 MHz.通過適當?shù)臄?shù)字濾波器(通常為適用于精密電流測量的Sinc3濾波器)可重構(gòu)原始信息。由于可在轉(zhuǎn)換性能和帶寬或濾波器群延遲之間作出權(quán)衡，因此更簡略、更快的濾波器能夠以2 μs的數(shù)量級提供快速OCP響應(yīng)，非常適用于IGBT保護。

　　對縮小分流電阻尺寸的需求

　　從信號測量方面來看，目前的一些主要難題與選擇分流電阻有關(guān)，因為需要實現(xiàn)靈敏度和功耗之間的平衡。大阻值將確保使用∑-Δ調(diào)制器的整個或盡量大的模擬輸入范圍，從而獲得最大的動態(tài)范圍。但是，由于電阻會出現(xiàn)I2 × R的損耗，因此，大阻值還會導(dǎo)致電壓下降和效率降低。電阻本身的發(fā)熱效應(yīng)而導(dǎo)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，系統(tǒng)設(shè)計人員面臨著左右權(quán)衡取舍以及進一步惡化的后果，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。控制系統(tǒng)開機峰值電流的能力會因設(shè)計不同而有很大差異，從額定電流以上浮動諸如30%的嚴格控制，到高達10倍于額定電流的系數(shù)。加速以及負載或扭矩變化也會產(chǎn)生峰值電流。但是，系統(tǒng)中的峰值電流通常處于驅(qū)動器設(shè)計額定電流的4倍范圍內(nèi)。

　　面對這些難題，系統(tǒng)設(shè)計人員正在尋找具有更寬動態(tài)范圍或具有更高信噪比和信納比(SINAD)的高性能∑-Δ調(diào)制器。最新的隔離式∑-Δ調(diào)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。

　　SINAD = (6.02 N + 1.76)dB，其中N = ENOB

　　順應(yīng)在低功耗驅(qū)動器中使用分流電阻的趨勢，電機驅(qū)動器制造商出于性能和成本方面的考慮，也在設(shè)法提高可利用該拓撲的驅(qū)動器的額定功率。唯一可行的方法就是使用阻值更小的分流電阻，而這需要引進性能更高的調(diào)制器內(nèi)核，以辨識減弱的信號幅度。

　　系統(tǒng)設(shè)計人員(尤其是伺服設(shè)計人員)仍在不斷探索，試圖通過縮短模數(shù)轉(zhuǎn)換時間，或者通過采用與隔離型∑-Δ調(diào)制器和分流電阻拓撲有關(guān)的數(shù)字濾波器降低群延遲的方式提高系統(tǒng)響應(yīng)。如前所述，可在轉(zhuǎn)換性能和帶寬或濾波器群延遲之間作出權(quán)衡。更簡略、更快的濾波器可提供更快的響應(yīng)，但會降低性能。系統(tǒng)設(shè)計人員分析濾波器波長或抽取比的效果，然后根據(jù)其終端應(yīng)用需求作出權(quán)衡。提高調(diào)制器的時鐘速率會有所幫助，但是許多設(shè)計人員已實現(xiàn)在AD7401A支持的20 MHz最高時鐘速率下操作。提高時鐘速率的一個缺點就是輻射電位和干擾(EMI)效應(yīng)。在相同的時鐘速率下，性能較高的調(diào)制器可改善群延遲與性能之間存在的權(quán)衡關(guān)系，從而在性能影響較小的情況下實現(xiàn)更快的響應(yīng)時間。

　　業(yè)界性能最優(yōu)的隔離式∑-Δ調(diào)制器

　　顯然，通過縮小分流電阻的大小、改進無傳感器控制方案、實現(xiàn)對高效內(nèi)部永磁電機(IPM)的控制，性能更高的隔離式∑-Δ調(diào)制器可滿足工業(yè)電機設(shè)計中的多種需求和發(fā)展要求，并可提高電機驅(qū)動器的功效。ADI公司的AD7403產(chǎn)品是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(shè)計人員可以更為靈活地選擇分流電阻大小，優(yōu)化驅(qū)動器與電機的匹配，提高額定電流與峰值電流的測量精度，減少適用于一系列電機型號的單個分流電阻大小的影響，并能夠在更高電流電平下使用分流電阻替換HE傳感器。此外，還可通過縮短測量延遲提高動態(tài)響應(yīng)。與上一代AD7400A和AD7401A相比，AD7403的隔離方案還可使用更高的連續(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機電流提高系統(tǒng)效率。

　　包括ADSP-CM40x混合信號控制處理器的更廣泛的系統(tǒng)解決方案

　　如前所述，實施∑-Δ調(diào)制器要求系統(tǒng)中配備數(shù)字濾波器。通?？墒褂肍PGA或數(shù)字ASIC實現(xiàn)。ADSP-CM408F混合信號控制處理器(包含Sinc3濾波器硬件，可直接連接AD740x系列的隔離式∑-Δ調(diào)制器)的出現(xiàn)有可能加快與隔離式∑-Δ 調(diào)制器耦合的阻性分流器電流檢測技術(shù)的普及。如本文中所述，由于會提高數(shù)字域系統(tǒng)的復(fù)雜度和相關(guān)的(FPGA)成本，設(shè)計人員過去一直認為阻性分流器電流檢測技術(shù)較為昂貴。ADSP-CM408F是性價比較高的解決方案，可使許多以往受限于成本目標的設(shè)計人員考慮使用該技術(shù)。