隔離型Σ-Δ調(diào)制器技術(shù)在電機(jī)控制電流采樣中的應(yīng)用

作者 / 孫建軍1 于克泳2 1.世健國(guó)際貿(mào)易(上海)有限公司(南京 210005)　　 2.亞德諾半導(dǎo)體技術(shù)(上海)有限公司(南京 210014 )

　　孫建軍(1979-)，男，內(nèi)蒙古人，碩士，世健國(guó)際貿(mào)易(上海)公司技術(shù)支持部經(jīng)理，主要從事電機(jī)控制，儀器儀表，醫(yī)療電子等技術(shù)支持與研究。

摘要：Σ-Δ型模數(shù)轉(zhuǎn)換器廣泛用于需要高信號(hào)完整度，電氣隔離的電機(jī)控制電流采樣應(yīng)用中，隔離型的Σ-Δ調(diào)制器通過過采樣，數(shù)字濾波等將模擬量轉(zhuǎn)換成單比特的數(shù)據(jù)流，同時(shí)可以滿足5kVrms的隔離度，在高精度伺服電機(jī)電流采樣驅(qū)動(dòng)中發(fā)揮最佳性能。

0 引言

　　在數(shù)字化的伺服電機(jī)控制系統(tǒng)中，電流采樣的精度和實(shí)時(shí)性很大程度上決定了系統(tǒng)的性能。精確的電流測(cè)量是提高系統(tǒng)控制精度、穩(wěn)定性和響應(yīng)速度的重要因素，同時(shí)也是實(shí)現(xiàn)高性能閉環(huán)控制系統(tǒng)的關(guān)鍵所在。

　　在傳統(tǒng)的電流檢測(cè)的方案中，最常見的是使用霍爾傳感器，電流信號(hào)經(jīng)過電磁轉(zhuǎn)換，變?yōu)橹绷麟妷狠敵?，通過模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器(ADC)后，送到處理器(DSP)進(jìn)行數(shù)據(jù)運(yùn)算。但是，霍爾傳感器的線性度一般比較差，受溫度的影響比較大，而且封裝也比較大，這使得霍爾傳感器方案限制了電流測(cè)量精度的進(jìn)一步提高。

　　近年來，出現(xiàn)了一些新型的電流檢測(cè)方案^[1]。利用采樣電阻，把電流轉(zhuǎn)換為電壓，利用數(shù)字調(diào)制技術(shù)把模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字碼流，然后再通過數(shù)字隔離技術(shù)實(shí)現(xiàn)數(shù)字碼流的電氣隔離。代表性的如AVAGO公司的HCPL-786X和ADI公司的AD740x系列產(chǎn)品就是電阻分流器和Σ-Δ型調(diào)制器結(jié)合典型的代表。 如圖1 AD740x隔離式電流反饋系統(tǒng)的框圖所示，Σ-Δ型調(diào)制器產(chǎn)生與輸入電壓成函數(shù)關(guān)系的調(diào)制位流，然后將信號(hào)越過隔離柵傳輸至低壓側(cè)的濾波器電路。SINC濾波器過濾來自二階調(diào)制器AD740x的位流，以便恢復(fù)表示電機(jī)繞組電流的16位數(shù)字信號(hào)。

1 隔離型的Σ-Δ調(diào)制器介紹

　　Σ-Δ(Sigma-Delta)調(diào)制器(Modulator) ^[2]，顧名思義，是指將高速CMOS工藝和iCoupler?數(shù)字隔離技術(shù)結(jié)合在一起的特色產(chǎn)品，能將模擬輸入信號(hào)轉(zhuǎn)換為20 Mbps的1-b碼流輸出。模擬調(diào)制器對(duì)模擬輸入信號(hào)連續(xù)采樣，因而無需外部采樣保持電路。集成有片上基準(zhǔn)源，具有16b無失碼的性能，失調(diào)漂移典型值一般在2 μV/℃左右。隔離型的Σ-Δ調(diào)制器較之前傳統(tǒng)的光耦合器等其他元件來說，能提供更加優(yōu)異的性能，更可以滿足5 KVrms的隔離度。

　　Σ-Δ(Sigma-Delta)調(diào)制器可以將模擬輸入信號(hào)轉(zhuǎn)換為單比特的數(shù)據(jù)流，一階Σ-Δ調(diào)制器的框圖如圖2所示。Σ-Δ調(diào)制器雖然只使用1 b的量化比較器，由于采用了過采樣和噪聲整形技術(shù)，所以依然能達(dá)到較高的精度^[3]。

　　模擬Σ-Δ調(diào)制器對(duì)輸入信號(hào)連續(xù)采樣，因此無需外部的采樣保持電路，輸入信息包含在數(shù)據(jù)率為20 Mbps的輸出碼流中，后續(xù)設(shè)計(jì)適當(dāng)?shù)臄?shù)字濾波器，就可以重構(gòu)原始信息。雖然輸入信號(hào)的所有信息都由1 b的數(shù)據(jù)流來表示，但這種對(duì)1 b數(shù)據(jù)流進(jìn)行信號(hào)處理將會(huì)帶來很多方便，它減少了互連線，更避免了多路數(shù)據(jù)線傳輸時(shí)的延遲不一致及干擾，這使得電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單容易，節(jié)省電路成本并提高電路的處理速度。

　　在電機(jī)控制應(yīng)用中，需要特別注意失調(diào)和增益誤差的溫度漂移，Σ-Δ ADC的失調(diào)和增益誤差可增加系統(tǒng)誤差，如電機(jī)的扭矩紋波。因?yàn)檫@對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響很大。很多用于電機(jī)控制應(yīng)用的電流測(cè)量系統(tǒng)都會(huì)集成溫度傳感 器來監(jiān)視異常情況，可以使用此溫度信息來執(zhí)行失調(diào)和增益誤差漂移補(bǔ)償，以降低隔離型的Σ-Δ調(diào)制器數(shù)據(jù)手冊(cè)中指定的漂移數(shù)據(jù)，分別可將失調(diào)誤差漂移和增益誤差漂移降低30%和90%^[4]。

2 數(shù)字濾波

　　傳統(tǒng)的過采樣技術(shù)，采用遠(yuǎn)高于奈奎斯特(Nyquist)頻率的時(shí)鐘對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行采樣，使得量化噪聲的功率分布在更寬的頻帶內(nèi)，這樣就減少了信號(hào)頻帶內(nèi)的噪聲。但Σ-Δ調(diào)制器(Modulator)利用噪聲整形(Noise Shaping)技術(shù)將量化噪聲搬移到高頻段，因此，在后續(xù)的數(shù)字處理中，必須將高頻噪聲濾除后才能真正提高ADC的性能，所以數(shù)字抽取濾波器的性能在整個(gè)Σ-Δ(Sigma-Delta)ADC中起著至關(guān)重要的作用。圖3說明了傳統(tǒng)的過采樣技術(shù)和Σ-Δ ADC的不同之處。流程A描述的是奈奎斯特采樣時(shí)的噪聲分布;流程B描述的是傳統(tǒng)的過采樣及噪聲分布;流程C是Σ-Δ過采樣及噪聲分布。

　　在Σ-Δ ADC的數(shù)字濾波器中，一種稱為Sinck的數(shù)字濾波器是常用的解決方案^[5]，在信號(hào)處理領(lǐng)域，Sinc濾波器是一種有效濾除高頻噪聲而只保留低頻信號(hào)的理想濾波器。在頻域它的形狀像一個(gè)矩形函數(shù)，在時(shí)域它的形狀像一個(gè)Sinc函數(shù)。Sinck濾波器的傳遞函數(shù)及頻域響應(yīng)如圖4所示。

　　當(dāng)k的取值不同時(shí)，表現(xiàn)為不同的濾波器，圖5中列出了三種不同階數(shù)的Sinck濾波器以及在不同OSR(Over Sampling Rate過采樣率)下得到的ENOB(有效位數(shù))，可以看出，在同等的OSR下，Sinc3濾波器得到ENOB最高，而Sinc濾波器得到的有效位數(shù)最低。

3 Σ-Δ調(diào)制器在多路電流采樣電路中的設(shè)計(jì)

　　在多路電流采樣設(shè)計(jì)中，往往有多個(gè)采樣電阻，多個(gè)隔離型的Σ-Δ調(diào)制器器件。采樣電阻將電流信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，其兩端的電壓輸入給隔離型的Σ-Δ調(diào)制器，差分電壓信號(hào)經(jīng)過調(diào)制、隔離后輸出的碼流送給FPGA，F(xiàn)PGA內(nèi)部進(jìn)行Sinc3數(shù)字濾波及解碼后得到輸入端的電流數(shù)值。為了與CPU處理器能方便地通訊，F(xiàn)PGA中還需要設(shè)計(jì)對(duì)應(yīng)的接口。

　　在電路采樣設(shè)計(jì)中，需要選用精確度高、溫漂小的采樣電阻為才能實(shí)現(xiàn)精確測(cè)量的目的，普通的采樣電阻會(huì)影響采樣的準(zhǔn)確性，而且采樣電阻的取值還需要考慮最小功率損耗和最大準(zhǔn)確性的折中點(diǎn)，因此設(shè)計(jì)中需要仔細(xì)考慮。

　　考慮到工作時(shí)鐘同步問題，建議隔離型的Σ-Δ調(diào)制器是外置時(shí)鐘Clock，在多片的應(yīng)用中就有多個(gè)Clock時(shí)鐘，圖6以兩片隔離型的Σ-Δ調(diào)制器為例描述。

　　本文以AD740x為例，分別輸入正弦波和方波信號(hào)，在RC端和FPGA輸出測(cè)試到的輸出的信號(hào)波形如下，分別對(duì)應(yīng)CH1, CH2, CH3如圖7所示。

　　采用Σ-Δ ADC，用戶可以自由選擇Sinc濾波器延遲或輸出數(shù)據(jù)保真度，抽取率較高時(shí)，延遲較長(zhǎng)，但信號(hào)質(zhì)量較高;抽取率較低時(shí)則相反。 這種靈活性對(duì)于電機(jī)控制算法設(shè)計(jì)十分有利。 利用Σ-Δ ADC和Sinc濾波器對(duì)PWM信號(hào)的脈沖響應(yīng)正確對(duì)齊，來測(cè)量三相電機(jī)電流而不會(huì)有混疊效應(yīng), 以及如何定位Sinc濾波器零點(diǎn)以幫助消除電流反饋中的開關(guān)噪聲，詳細(xì)可以參考文獻(xiàn)[6]。

4 總結(jié)

　　綜上所述，相比于霍爾電流傳感器采樣電流，隔離型Σ-Δ調(diào)制器能直接將模擬量轉(zhuǎn)化為數(shù)字量輸出，省去模擬隔離時(shí)所需要ADC轉(zhuǎn)換器。同時(shí)隔離型的Σ-Δ調(diào)制器在應(yīng)用中可靠性高，抗干擾能力強(qiáng)，并具有較高的精度，因此它是非常適合在精確伺服電機(jī)控制中電流采樣的解決方案。同時(shí)也需要在FPGA中設(shè)計(jì)多個(gè)Sinc3數(shù)字濾波器。設(shè)計(jì)印刷電路板(PCB)布局時(shí)應(yīng)特別小心，必須符合相關(guān)輻射標(biāo)準(zhǔn)，詳細(xì)可以參閱應(yīng)用筆記^[7]。

　　參考文獻(xiàn)：

　　[1]羅 映, 萬超 伺服電機(jī)控制系統(tǒng)中電流采樣三種方案的比較, 電子元器件應(yīng)用，2007.1

　　[2]AD740x datasheet. 16-Bit, Isolated Sigma-Delta Modulator, Analog Device Inc.

　　[3]AN-283，Σ-Δ型ADC和DAC, ADI公司

　　[4] AN1377: AD7403/AD7405的增益和失調(diào)溫度漂移補(bǔ)償

　　[5]AN-1265: 使用ADSP-CM402F/ADSP-CM403F/ADSP-CM407F/ADSP-CM408F SINC 濾波器和AD7401A實(shí)現(xiàn)隔離式電機(jī)控制反饋, ADI 公司

　　[6]Jens Sorensen Σ-Δ轉(zhuǎn)換用于電機(jī)控制, ADI 公司

　　[7]AN-0971, isoPower器件的輻射控制建議, ADI 公司

　　本文來源于《電子產(chǎn)品世界》2018年第12期第56頁，歡迎您寫論文時(shí)引用，并注明出處。