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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 于克泳 時間:2018-11-29 來源:電子產(chǎn)品世界 收藏
編者按:Σ-Δ型模數(shù)轉(zhuǎn)換器廣泛用于需要高信號完整度,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)動中發(fā)揮最佳性能。

作者 / 孫建軍1 于克泳2 1.世健國際貿(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 )

本文引用地址:http://m.butianyuan.cn/article/201811/395039.htm

  孫建軍(1979-),男,內(nèi)蒙古人,碩士,世健國際貿(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完整度,的電機(jī)控制應(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,同時可以滿足5kVrms的隔離度,在高精度伺服電機(jī)驅(qū)動中發(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,的精度和實時性很大程度上決定了系統(tǒng)的性能。精確的電流測量是提高系統(tǒng)控制精度、穩(wěn)定性和響應(yīng)速度的重要因素,同時也是實現(xiàn)高性能閉環(huán)控制系統(tǒng)的關(guān)鍵所在。

  在傳統(tǒng)的電流檢測的方案中,最常見的是使用霍爾傳感器,電流信號經(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)實現(xiàn)數(shù)字碼流的。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。

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,能將模擬輸入信號轉(zhuǎn)換為20 Mbps的1-b碼流輸出。模擬調(diào)制器對模擬輸入信號連續(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)制器對輸入信號連續(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。雖然輸入信號的所有信息都由1 b的數(shù)據(jù)流來表示,但這種對1 b數(shù)據(jù)流進(jìn)行信號處理將會帶來很多方便,它減少了互連線,更避免了多路數(shù)據(jù)線傳輸時的延遲不一致及干擾,這使得電路結(jié)構(gòu)簡單容易,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。因為這對系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響很大。很多用于電機(jī)控制應(yīng)用的電流測量系統(tǒng)都會集成溫度傳感 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)和增益誤差漂移補償,以降低隔離型的Σ-Δ調(diào)制器數(shù)據(jù)手冊中指定的漂移數(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)頻率的時鐘對輸入信號進(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的理想濾波器。在頻域它的形狀像一個矩形函數(shù),在時域它的形狀像一個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,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

  在多路電流采樣設(shè)計中,往往有多個采樣電阻,多個隔離型的Σ-Δ調(diào)制器器件。采樣電阻將電流信號轉(zhuǎn)換為電壓信號,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)計對應(yīng)的接口。

  在電路采樣設(shè)計中,需要選用精確度高、溫漂小的采樣電阻為才能實現(xiàn)精確測量的目的,普通的采樣電阻會影響采樣的準(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,因此設(shè)計中需要仔細(xì)考慮。

  考慮到工作時鐘同步問題,建議隔離型的Σ-Δ調(diào)制器是外置時鐘Clock,在多片的應(yīng)用中就有多個Clock時鐘,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,在RC端和FPGA輸出測試到的輸出的信號波形如下,分別對應(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,延遲較長,但信號質(zhì)量較高;抽取率較低時則相反。 這種靈活性對于電機(jī)控制算法設(shè)計十分有利。 利用Σ-Δ ADC和Sinc濾波器對PWM信號的脈沖響應(yīng)正確對齊,來測量三相電機(jī)電流而不會有混疊效應(yīng), 以及如何定位Sinc濾波器零點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,能直接將模擬量轉(zhuǎn)化為數(shù)字量輸出,省去模擬隔離時所需要ADC轉(zhuǎn)換器。同時隔離型的Σ-Δ調(diào)制器在應(yīng)用中可靠性高,抗干擾能力強,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。同時也需要在FPGA中設(shè)計多個Sinc3數(shù)字濾波器。設(shè)計印刷電路板(PCB)布局時應(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)溫度漂移補償

  [5]AN-1265: 使用ADSP-CM402F/ADSP-CM403F/ADSP-CM407F/ADSP-CM408F SINC 濾波器和AD7401A實現(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,歡迎您寫論文時引用,并注明出處。



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