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    Σ-Δ調制器提高運動控制效率

    發布時間:2020-07-15 來源:Nicola O''''Byrne 責任編輯:wenwei

    【導讀】工業運動控制涵蓋一系列應用,包括基于逆變器的風扇或泵控 制、具有更為復雜的交流驅動控制的工廠自動化以及高級自動 化應用(如具有高級伺服控制的機器人)。這些系統需要檢測和 反饋多個變量,例如電機繞組電流或電壓、直流鏈路電流或電 壓、轉子位置和速度。變量的選擇和所需的測量精度取決于終 端應用需求、系統架構、目標系統成本或系統復雜度。還有其 他考慮因素,例如狀態監控等增值特性。據報道,電機占全球 總能耗的40%,國際法規越來越注重全體工業運動應用的系統 效率(參見圖1)。
     
    Σ-Δ調制器提高運動控制效率
    圖1. 工業驅動應用圖譜
     
    各種電機控制信號鏈拓撲中的電流和電壓檢測技術會因電機額 定功率、系統性能要求和終端應用而有所差異。由于這個原 因,不同的傳感器選擇、電流隔離要求、ADC選擇、系統集成 度和系統電源/接地劃分,導致電機控制信號鏈實現方案也不相 同。雖然隔離要求通常對最終電路拓撲和架構有著重要影響, 但本文關注的重點是如何改善電流檢測(作為一個影響因素)來實 現更高效的電機控制系統。
     
    電流和電壓測量
     
    圖2所示為一個通用電機控制信號鏈。為實現高保真測量而進行 的信號調理并非易事。相位電流檢測尤其困難,因為該節點連 接的電路節點與逆變器模塊核心中的柵極驅動器輸出的節點相 同,因此在隔離電壓和開關瞬變方面的需求也相同。
     
    Σ-Δ調制器提高運動控制效率
    圖2. 通用電機控制信號鏈
     
    電機控制中最常用的電流傳感器為分流電阻、霍爾效應傳感器 (HES)以及電流互感器(CT)。雖然分流電阻不具有隔離功能且會 引起損耗,但它是所有傳感器中最具線性、成本最低且同時適 用于交流和直流測量的傳感器。為限制分流功率損耗的信號電 平衰減通常將分流應用限制為50 A或更低。電流互感器和霍爾效 應傳感器可提供固有的隔離,因此能夠用于電流較高的系統, 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。與傳感器類型不同,電機電流測量節點有很多選 擇,如圖3所示,其中以直接同相繞組電流測量最為理想,可 用于高性能系統。
     
    Σ-Δ調制器提高運動控制效率
    圖3. 隔離式和非隔離式電機電流反饋
     
    有許多拓撲可用來檢測電機電流,并需考慮多種因素,例如成 本、功耗以及性能水平,但對大多數系統設計人員而言,一個 重要目標是在成本控制范圍內提高效率。
     
    從霍爾效應傳感器到分流電阻
     
    與隔離式 Σ-Δ調制器耦合的分流電阻可提供最優質的電流反 饋,其中的電流電平足夠低。目前,系統設計人員明顯傾向于 從霍爾效應傳感器轉移到分流電阻,并且與隔離式放大器方案 相比,設計人員更傾向于采用隔離式調制器方案。將霍爾效應 傳感器替換為分流電阻的系統設計人員往往會選擇隔離式放大 器,并繼續使用之前在基于霍爾效應傳感器的設計中使用的模 數轉換器(ADC)。這種情況下,無論模數轉換性能如何,設計性 能都會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調制器可消除性能瓶 頸,并大大改善設計,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調制器輸出所需的數字濾 波器,以實現快速過流保護(OCP)環路,從而無需模擬過流保護 電路。
     
    現有Σ-Δ調制器可提供±250 mV (±320 mV滿量程用于OCP)的差分輸 入范圍,特別適合阻性分流器測量。模擬調制器對模擬輸入持 續采樣,而輸入信息則包含在數字輸出流內,其數據速率最高 可達20 MHz。通過適當的數字濾波器可重構原始信息。由于可在 轉換性能和帶寬或濾波器群延遲之間作出權衡,因此更粗、更 快的濾波器能夠以2 μs的數量級提供快速OCP響應,非常適用于 IGBT保護。
     
    縮小分流電阻尺寸
     
    從信號測量方面來看,一些主要難題與分流電阻的選擇有關, 因為需要實現靈敏度和功耗之間的平衡。電阻自身的發熱效應 導致的非線性情況也會是使用較大電阻所面臨的挑戰。因此, 設計人員必須做出權衡取舍,而更棘手的是,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,則保持動態范圍也是一個難題。
     
    面對這些難題,系統設計人員非常需要具有更寬動態范圍或 更高信噪比和信納比(SINAD)的優異Σ-Δ調制器。最新的隔離式 Σ-Δ調制器產品具有16位分辨率,并可確保高達12位有效位數 (ENOB)的性能。
     
    高性能隔離式Σ-Δ調制器
     
    更高性能的隔離式Σ-Δ調制器可滿足工業電機控制設計中的多 種需求,并可通過縮小分流電阻尺寸來提高電機驅動器的功 效。ADI公司的調制器 AD7403 就是一個很好的工業應用實例(參見 圖4)。它是AD7401A的新一代產品,可在相同的20 MHz外部時鐘 速率下提供更寬的動態范圍。這使設計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 霍爾效應傳感器。該芯片的ENOB典型值為14.2位。此外,還可 通過縮短測量延遲改善動態響應。這款器件的隔離方案支持比 上一代產品更高的連續工作電壓(VIORM),從而可通過使用更高 的直流總線電壓和更低的電流來提高系統效率。
     
    Σ-Δ調制器提高運動控制效率
    圖4. 高性能二階Σ-Δ調制器AD7403
     
    采用ADSP-CM40x混合信號控制處理器的系統 解決方案
     
    如前所述,實施Σ-Δ調制器需要使用數字濾波器,這通常使用 FPGA或ASIC來實現。ADI公司混合信號控制處理器 ADSP-CM408F 的 出現將改變這種設計方式,因為它包含Sinc濾波器硬件,可直 接連接調制器。這有望加快運用阻性分流器和Σ-Δ調制器的電 流檢測技術的普及。
     
     
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