適用于工業(yè)運動(dòng)控制的測量技術(shù)

阻對磁場(chǎng)或機械振動(dòng)均不敏感。將HE傳感器替換為分流電阻的系統設計人員往往會(huì )選擇隔離式放大器，并繼續使用之前在基于HE傳感器的設計中使用的ADC來(lái)限制信號鏈中的電平變化。然而，如前所述，無(wú)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(jìn)一步將隔離式放大器和ADC替換為隔離式∑-Δ調制器可消除性能瓶頸，并大大改善設計，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調制器輸出所需的數字濾波器，以實(shí)現快速OCP環(huán)路，從而消除模擬過(guò)流保護(OCP)電路。因此，任何BOM分析不僅應包括隔離式放大器、原始ADC、兩者之間的信號調理，而且還應包括可消除的OCP設備。AD701A隔離式∑-Δ調制器基于A(yíng)DI公司的iCoupler?技術(shù)，具有±250 mV(通常用于OCP的±320 mV滿(mǎn)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。模擬調制器對模擬輸入持續取樣，而輸入信息則以數據流密度的形式包含在數字輸出流內，其數據速率最高可達20 MHz.通過(guò)適當的數字濾波器(通常為適用于精密電流測量的Sinc3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，因此更簡(jiǎn)略、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。

　　對縮小分流電阻尺寸的需求

　　從信號測量方面來(lái)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(shí)現靈敏度和功耗之間的平衡。大阻值將確保使用∑-Δ調制器的整個(gè)或盡量大的模擬輸入范圍，從而獲得最大的動(dòng)態(tài)范圍。但是，由于電阻會(huì )出現I2 × R的損耗，因此，大阻值還會(huì )導致電壓下降和效率降低。電阻本身的發(fā)熱效應而導致的非線(xiàn)性情況也會(huì )是使用較大電阻所面臨的挑戰。因此，系統設計人員面臨著(zhù)左右權衡取舍以及進(jìn)一步惡化的后果，他們往往需要選擇一個(gè)適當大小的分流電阻，以滿(mǎn)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(dòng)態(tài)范圍也是一個(gè)難題?？刂葡到y開(kāi)機峰值電流的能力會(huì )因設計不同而有很大差異，從額定電流以上浮動(dòng)諸如30%的嚴格控制，到高達10倍于額定電流的系數。加速以及負載或扭矩變化也會(huì )產(chǎn)生峰值電流。但是，系統中的峰值電流通常處于驅動(dòng)器設計額定電流的4倍范圍內。

　　面對這些難題，系統設計人員正在尋找具有更寬動(dòng)態(tài)范圍或具有更高信噪比和信納比(SINAD)的高性能∑-Δ調制器。最新的隔離式∑-Δ調制器產(chǎn)品具有16位分辨率并可確保高達12位有效位數(ENOB)的性能。

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

　　順應在低功耗驅動(dòng)器中使用分流電阻的趨勢，電機驅動(dòng)器制造商出于性能和成本方面的考慮，也在設法提高可利用該拓撲的驅動(dòng)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(jìn)性能更高的調制器內核，以辨識減弱的信號幅度。

　　系統設計人員(尤其是伺服設計人員)仍在不斷探索，試圖通過(guò)縮短模數轉換時(shí)間，或者通過(guò)采用與隔離型∑-Δ調制器和分流電阻拓撲有關(guān)的數字濾波器降低群延遲的方式提高系統響應。如前所述，可在轉換性能和帶寬或濾波器群延遲之間作出權衡。更簡(jiǎn)略、更快的濾波器可提供更快的響應，但會(huì )降低性能。系統設計人員分析濾波器波長(cháng)或抽取比的效果，然后根據其終端應用需求作出權衡。提高調制器的時(shí)鐘速率會(huì )有所幫助，但是許多設計人員已實(shí)現在A(yíng)D7401A支持的20 MHz最高時(shí)鐘速率下操作。提高時(shí)鐘速率的一個(gè)缺點(diǎn)就是輻射電位和干擾(EMI)效應。在相同的時(shí)鐘速率下，性能較高的調制器可改善群延遲與性能之間存在的權衡關(guān)系，從而在性能影響較小的情況下實(shí)現更快的響應時(shí)間。

　　業(yè)界性能最優(yōu)的隔離式∑-Δ調制器

　　顯然，通過(guò)縮小分流電阻的大小、改進(jìn)無(wú)傳感器控制方案、實(shí)現對高效內部永磁電機(IPM)的控制，性能更高的隔離式∑-Δ調制器可滿(mǎn)足工業(yè)電機設計中的多種需求和發(fā)展要求，并可提高電機驅動(dòng)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(shí)鐘速率下提供更寬的動(dòng)態(tài)范圍。這使設計人員可以更為靈活地選擇分流電阻大小，優(yōu)化驅動(dòng)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(gè)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(guò)縮短測量延遲提高動(dòng)態(tài)響應。與上一代AD7400A和AD7401A相比，AD7403的隔離方案還可使用更高的連續工作電壓(VIORM)，從而可通過(guò)使用更高的直流總線(xiàn)電壓和更低的電機電流提高系統效率。

　　包括ADSP-CM40x混合信號控制處理器的更廣泛的系統解決方案

　　如前所述，實(shí)施∑-Δ調制器要求系統中配備數字濾波器。通?？墒褂肍PGA或數字ASIC實(shí)現。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調制器)的出現有可能加快與隔離式∑-Δ 調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(huì )提高數字域系統的復雜度和相關(guān)的(FPGA)成本，設計人員過(guò)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?xún)r(jià)比較高的解決方案，可使許多以往受限于成本目標的設計人員考慮使用該技術(shù)。