電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的電壓基準(zhǔn)解決方案

引言

精密信號(hào)鏈對(duì)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器來(lái)說(shuō)非常重要，因?yàn)?a class="contentlabel" href="http://www.butianyuan.cn/news/listbylabel/label/電機(jī)">電機(jī)驅(qū)動(dòng)器利用精密信號(hào)鏈來(lái)測(cè)量電機(jī)速度、位置、扭矩和電源軌，從而確保高性能系統(tǒng)的穩(wěn)健性和效率。這一點(diǎn)適用于所有電機(jī)系統(tǒng)，例如伺服驅(qū)動(dòng)器、交流逆變器和速度受控型 BLDC 驅(qū)動(dòng)器，因?yàn)檫@些器件都具有電壓/電流感測(cè)、SIN/COS AFE 和模擬 I/O 等常見子系統(tǒng)。外部電壓基準(zhǔn) 有助于更大限度地提高模擬信號(hào)鏈的分辨率和精度，從而優(yōu)化驅(qū)動(dòng)性能和效率。

電機(jī)驅(qū)動(dòng)基礎(chǔ)知識(shí)

圖 1. 電機(jī)功率級(jí)示例

所有電機(jī)驅(qū)動(dòng)器都需要電機(jī)功率級(jí)來(lái)為電機(jī)供電并控制電機(jī)，但由于功耗較高，因此可能效率較低。隨著政府頒布 EN 50598 等要求提高變速驅(qū)動(dòng)器（包括其功率級(jí)）功效的法規(guī)，電機(jī)驅(qū)動(dòng)器需要降低功耗。功率級(jí)通常將定頻交流輸入轉(zhuǎn)換為三相變頻交流輸出，如圖 1中所示，但由于需要滿足電機(jī)的可靠性和高功率要求，該功率級(jí)需要具備可持續(xù)感測(cè)的功能。

圖 2. 電壓和電流感測(cè)示例

測(cè)量電機(jī)功率級(jí)的電壓和電流有兩種常見的方法，它們都需要用到一種隔離放大器，如圖 2 中所示。電壓測(cè)量是在隔離放大器上連接一個(gè)電阻分壓器，而電流測(cè)量則通常是在三相隔離放大器的每一相上均連接一個(gè)內(nèi)聯(lián)電阻器。之所以使用隔離放大器，是因?yàn)樗軌蛞种拼蠊材ｋ妷汉退矐B(tài)，另外這也是安全標(biāo)準(zhǔn) IEC 61800-5-1的一項(xiàng)要求。通常需要使用隔離放大器來(lái)進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換并調(diào)整為 ADC 的輸入。

圖 3. 利用電壓基準(zhǔn)進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換

TIDA-00366 設(shè)計(jì)方案主要用于三相電機(jī)功率驅(qū)動(dòng)器中的高帶寬相電流和電壓測(cè)量。在此設(shè)計(jì)中，整個(gè)溫度范圍所需的電壓感測(cè)精度為 1%，電流感測(cè)精度為0.5%。這項(xiàng)設(shè)計(jì)采用 8ppm/°C 低溫漂串聯(lián)電壓基準(zhǔn)REF2033 來(lái)提供高精度電壓，旨在從內(nèi)部 C2000ADC 的隔離放大器進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換。這是因?yàn)樵趯捁I(yè)溫度范圍內(nèi) 8ppm/°C 的低溫漂只會(huì)產(chǎn)生 0.1% 的溫度偏移。例如，當(dāng)具有 50ppm/°C 的更高溫度系數(shù)時(shí)，整個(gè)溫度范圍內(nèi)的偏移便會(huì)達(dá)到 0.8%，這超出了規(guī)格范圍。
電機(jī)反饋

高性能電機(jī)控制驅(qū)動(dòng)器的一個(gè)重要特性在于該系統(tǒng)處理速度或位置傳感器控制環(huán)路反饋的性能。電機(jī)控制反饋是同步伺服電機(jī)和高端 AC/VFD 電機(jī)中常見的一項(xiàng)功能。兩種傳統(tǒng)的電機(jī)速度測(cè)量方式是通過(guò)旋轉(zhuǎn)變壓器或編碼器來(lái)實(shí)現(xiàn)的。例如，旋轉(zhuǎn)變壓器中會(huì)通過(guò)其激勵(lì)繞組引入正弦 (SIN) 和余弦 (COS) 信號(hào)，然后使用這些信號(hào)來(lái)計(jì)算電機(jī)的角速度。而編碼器則會(huì)在電機(jī)上添加傳感器來(lái)讀取 SIN/COS 信號(hào)或正交信號(hào)，從而計(jì)算角速度。

圖 4. 編碼器感測(cè)電路

編碼器相較于旋轉(zhuǎn)變壓器的優(yōu)勢(shì)是前者可實(shí)現(xiàn)更高的精度，但會(huì)增加系統(tǒng)復(fù)雜性。我們經(jīng)?？梢钥吹絻H具有數(shù)字或模擬編碼器的電機(jī)，例如圖 4 中所示，但事實(shí)上，結(jié)合使用這兩種編碼器能夠打造更精確的系統(tǒng)。例如在 TIDA-00176 中，編碼器傳感器信號(hào)鏈由比較器和ADS8354 ADC 組合而成，其中 ADS8354 用于對(duì)SIN/COS 信號(hào)進(jìn)行采樣來(lái)生成高分辨率插值位置。此設(shè)計(jì)采用 REF2033 來(lái)為 SIN 和 COS 通道提供相同的電壓基準(zhǔn)，因?yàn)榛鶞?zhǔn)的增益漂移會(huì)因?yàn)?SIN/COS 的采樣而抵消。電壓基準(zhǔn)的關(guān)鍵作用在于其對(duì) SIN/COS 失調(diào)電壓和溫漂的影響。更多相關(guān)信息，請(qǐng)參閱TIDA-00176 的第 1.4.1 部分。此外，TIDA-00316 顯示了如何與霍爾效應(yīng)傳感器（例如編碼器中使用的那些傳感器）連接。此設(shè)計(jì)采用 REF2033 和REF2025 來(lái)為霍爾效應(yīng)傳感器的電平轉(zhuǎn)換提供高精度基準(zhǔn)，從而確保在整個(gè)溫度范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn) 0.5% 的精度。有關(guān)旋轉(zhuǎn)變壓
器和編碼器的更多詳情，請(qǐng)參閱此白皮書。增益和量化誤差會(huì)導(dǎo)致 ADC 的相位誤差增加，因此電壓基準(zhǔn)需要具有高精度。增益誤差受多個(gè)參數(shù)影響，例如初始精度、溫漂和長(zhǎng)期漂移，如方程式 1 中所示。在 TIDA-00176 的表 7 中，0.1% 的增益誤差將會(huì)轉(zhuǎn)換為 0.15° 的相位誤差，這個(gè)誤差由電壓基準(zhǔn)和 ADC 的增益誤差組成，具體如公式中所示。通常會(huì)執(zhí)行初始校準(zhǔn)和例行校準(zhǔn)來(lái)保持較小的相位誤差，因?yàn)榧幢闶潜?1中所示的溫漂也會(huì)顯著影響增益誤差。

表 1. 旋轉(zhuǎn)變壓器和編碼器的外部電壓器件推薦

模擬 I/O

電機(jī)驅(qū)動(dòng)器中需要達(dá)到高精度的另一個(gè)模塊是模擬 I/O模塊，該模塊通常用于電機(jī)控制板和電機(jī)控制驅(qū)動(dòng)器之間的通信。常見模擬 I/O 為 ±10V 模擬信號(hào)或 4-20mA電流信號(hào)。通常，必須在整個(gè)溫度范圍內(nèi)保持非常可靠和準(zhǔn)確的通信。大多數(shù)系統(tǒng)都高度可定制，因此模擬I/O 通常采用分立式設(shè)計(jì)。外部電壓基準(zhǔn)具有多種用途，例如用于電平轉(zhuǎn)換、用作 ADC/DAC 的 VREF，以及提供精密電源。

若要提高電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的精度，更為常見的方法是在4-20mA 接收器的 ADC 或 4-20mA 發(fā)送器的 DAC 中采用精密電壓基準(zhǔn)。在使用集成式 ADC C2000 來(lái)對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行采樣時(shí)，這種方法很常見。這種情況下，通常使用 REF3030 來(lái)為 C2000 處理器提供輸入VREF，因?yàn)?C2000 通常是 12 位多通道 SAR ADC。借助外部 ADC，通常可將模擬 I/O 的 ADC 信號(hào)鏈分辨率提高到 16 位，而在此 ADC 分辨率下，始終需要精密電壓基準(zhǔn)。模擬 I/O 中使用的常見 ADC 為ADS8688，而該 ADC 的外部電壓基準(zhǔn)對(duì)為 REF3440和 REF3140。REF3440 和 REF3140 都為 ADC 提供極低噪聲輸入，可實(shí)現(xiàn)更高的有效分辨率。不過(guò)，與REF3140 相比，REF3440 電壓基準(zhǔn)的性能更高，而為了簡(jiǎn)化校準(zhǔn)過(guò)程并最大程度地提高 ADC 的精度，通常會(huì)選擇性能更高的電壓基準(zhǔn)。表 2 所示為串聯(lián)電壓基準(zhǔn)比較表。

表 2. 電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的外部電壓器件推薦