電機驅動(dòng)器的電壓基準解決方案

引言

精密信號鏈對電機驅動(dòng)器來(lái)說(shuō)非常重要，因為電機驅動(dòng)器利用精密信號鏈來(lái)測量電機速度、位置、扭矩和電源軌，從而確保高性能系統的穩健性和效率。這一點(diǎn)適用于所有電機系統，例如伺服驅動(dòng)器、交流逆變器和速度受控型 BLDC 驅動(dòng)器，因為這些器件都具有電壓/電流感測、SIN/COS AFE 和模擬 I/O 等常見(jiàn)子系統。外部電壓基準 有助于更大限度地提高模擬信號鏈的分辨率和精度，從而優(yōu)化驅動(dòng)性能和效率。

電機驅動(dòng)基礎知識

圖 1. 電機功率級示例

所有電機驅動(dòng)器都需要電機功率級來(lái)為電機供電并控制電機，但由于功耗較高，因此可能效率較低。隨著(zhù)政府頒布 EN 50598 等要求提高變速驅動(dòng)器（包括其功率級）功效的法規，電機驅動(dòng)器需要降低功耗。功率級通常將定頻交流輸入轉換為三相變頻交流輸出，如圖 1中所示，但由于需要滿(mǎn)足電機的可靠性和高功率要求，該功率級需要具備可持續感測的功能。

圖 2. 電壓和電流感測示例

測量電機功率級的電壓和電流有兩種常見(jiàn)的方法，它們都需要用到一種隔離放大器，如圖 2 中所示。電壓測量是在隔離放大器上連接一個(gè)電阻分壓器，而電流測量則通常是在三相隔離放大器的每一相上均連接一個(gè)內聯(lián)電阻器。之所以使用隔離放大器，是因為它能夠抑制大共模電壓和瞬態(tài)，另外這也是安全標準 IEC 61800-5-1的一項要求。通常需要使用隔離放大器來(lái)進(jìn)行電平轉換并調整為 ADC 的輸入。

圖 3. 利用電壓基準進(jìn)行電平轉換

TIDA-00366 設計方案主要用于三相電機功率驅動(dòng)器中的高帶寬相電流和電壓測量。在此設計中，整個(gè)溫度范圍所需的電壓感測精度為 1%，電流感測精度為0.5%。這項設計采用 8ppm/°C 低溫漂串聯(lián)電壓基準REF2033 來(lái)提供高精度電壓，旨在從內部 C2000ADC 的隔離放大器進(jìn)行電平轉換。這是因為在寬工業(yè)溫度范圍內 8ppm/°C 的低溫漂只會(huì )產(chǎn)生 0.1% 的溫度偏移。例如，當具有 50ppm/°C 的更高溫度系數時(shí)，整個(gè)溫度范圍內的偏移便會(huì )達到 0.8%，這超出了規格范圍。
電機反饋

高性能電機控制驅動(dòng)器的一個(gè)重要特性在于該系統處理速度或位置傳感器控制環(huán)路反饋的性能。電機控制反饋是同步伺服電機和高端 AC/VFD 電機中常見(jiàn)的一項功能。兩種傳統的電機速度測量方式是通過(guò)旋轉變壓器或編碼器來(lái)實(shí)現的。例如，旋轉變壓器中會(huì )通過(guò)其激勵繞組引入正弦 (SIN) 和余弦 (COS) 信號，然后使用這些信號來(lái)計算電機的角速度。而編碼器則會(huì )在電機上添加傳感器來(lái)讀取 SIN/COS 信號或正交信號，從而計算角速度。

圖 4. 編碼器感測電路

編碼器相較于旋轉變壓器的優(yōu)勢是前者可實(shí)現更高的精度，但會(huì )增加系統復雜性。我們經(jīng)?？梢钥吹絻H具有數字或模擬編碼器的電機，例如圖 4 中所示，但事實(shí)上，結合使用這兩種編碼器能夠打造更精確的系統。例如在 TIDA-00176 中，編碼器傳感器信號鏈由比較器和ADS8354 ADC 組合而成，其中 ADS8354 用于對SIN/COS 信號進(jìn)行采樣來(lái)生成高分辨率插值位置。此設計采用 REF2033 來(lái)為 SIN 和 COS 通道提供相同的電壓基準，因為基準的增益漂移會(huì )因為 SIN/COS 的采樣而抵消。電壓基準的關(guān)鍵作用在于其對 SIN/COS 失調電壓和溫漂的影響。更多相關(guān)信息，請參閱TIDA-00176 的第 1.4.1 部分。此外，TIDA-00316 顯示了如何與霍爾效應傳感器（例如編碼器中使用的那些傳感器）連接。此設計采用 REF2033 和REF2025 來(lái)為霍爾效應傳感器的電平轉換提供高精度基準，從而確保在整個(gè)溫度范圍內實(shí)現 0.5% 的精度。有關(guān)旋轉變壓
器和編碼器的更多詳情，請參閱此白皮書(shū)。增益和量化誤差會(huì )導致 ADC 的相位誤差增加，因此電壓基準需要具有高精度。增益誤差受多個(gè)參數影響，例如初始精度、溫漂和長(cháng)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 )轉換為 0.15° 的相位誤差，這個(gè)誤差由電壓基準和 ADC 的增益誤差組成，具體如公式中所示。通常會(huì )執行初始校準和例行校準來(lái)保持較小的相位誤差，因為即便是表 1中所示的溫漂也會(huì )顯著(zhù)影響增益誤差。

表 1. 旋轉變壓器和編碼器的外部電壓器件推薦

模擬 I/O

電機驅動(dòng)器中需要達到高精度的另一個(gè)模塊是模擬 I/O模塊，該模塊通常用于電機控制板和電機控制驅動(dòng)器之間的通信。常見(jiàn)模擬 I/O 為 ±10V 模擬信號或 4-20mA電流信號。通常，必須在整個(gè)溫度范圍內保持非?？煽亢蜏蚀_的通信。大多數系統都高度可定制，因此模擬I/O 通常采用分立式設計。外部電壓基準具有多種用途，例如用于電平轉換、用作 ADC/DAC 的 VREF，以及提供精密電源。

若要提高電機驅動(dòng)器的精度，更為常見(jiàn)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。在使用集成式 ADC C2000 來(lái)對輸入信號進(jìn)行采樣時(shí)，這種方法很常見(jiàn)。這種情況下，通常使用 REF3030 來(lái)為 C2000 處理器提供輸入VREF，因為 C2000 通常是 12 位多通道 SAR ADC。借助外部 ADC，通?？蓪⒛M I/O 的 ADC 信號鏈分辨率提高到 16 位，而在此 ADC 分辨率下，始終需要精密電壓基準。模擬 I/O 中使用的常見(jiàn) ADC 為ADS8688，而該 ADC 的外部電壓基準對為 REF3440和 REF3140。REF3440 和 REF3140 都為 ADC 提供極低噪聲輸入，可實(shí)現更高的有效分辨率。不過(guò)，與REF3140 相比，REF3440 電壓基準的性能更高，而為了簡(jiǎn)化校準過(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。表 2 所示為串聯(lián)電壓基準比較表。

表 2. 電機驅動(dòng)器的外部電壓器件推薦