圖1. 工業驅動應用圖譜

 

各種電機控製信號鏈拓撲中的電流和電壓檢測技術會因電機額 定功率、係統性能要求和終端應用而有所差異。由於這個原 因，不同的傳感器選擇、電流隔離要求、ADC選擇
、係統集成 度和係統電源/接地劃分，導致電機控製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 現更高效的電機控製係統。

 

電流和電壓測量

 

圖2所示為一個通用電機控製信號鏈。為實現高保真測量而進行 的信號調理並非易事。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麵的需求也相同。

 

圖2. 通用電機控製信號鏈

 

電機控製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 用於交流和直流測量的傳感器。為限製分流功率損耗的信號電 平衰減通常將分流應用限製為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
，因此能夠用於電流較高的係統， 但它們的成本更高
，並且在精度上不及采用分流電阻的解決方 案
，這是由於此類傳感器本身的初始精度較差或者在溫度方麵 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 用於高性能係統。

 

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
，並需考慮多種因素
，例如成 本、功耗以及性能水平
，但對大多數係統設計人員而言
，一個 重要目標是在成本控製範圍內提高效率。

 

從霍爾效應傳感器到分流電阻

 

與隔離式 Σ-Δ調製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，係統設計人員明顯傾向於 從霍爾效應傳感器轉移到分流電阻，並且與隔離式放大器方案 相比，設計人員更傾向於采用隔離式調製器方案。將霍爾效應 傳感器替換為分流電阻的係統設計人員往往會選擇隔離式放大 器，並繼續使用之前在基於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製。

 

將隔離式放大器和ADC替換為隔離式Σ-Δ調製器可消除性能瓶 頸，並大大改善設計，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調製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調製器可提供±250 mV (±320 mV滿量程用於OCP)的差分輸 入範圍，特別適合阻性分流器測量。模擬調製器對模擬輸入持 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。由於可在 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
，非常適用於 IGBT保護。

 

縮小分流電阻尺寸

 

從信號測量方麵來看


，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麵臨的挑戰。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。如果麵對數倍於電機額定電流的峰值電流，並 需要可靠捕獲兩者的值
，則保持動態範圍也是一個難題。

 

麵對這些難題
，係統設計人員非常需要具有更寬動態範圍或 更高信噪比和信納比(SINAD)的優異Σ-Δ調製器。最新的隔離式 Σ-Δ調製器產品具有16位分辨率，並可確保高達12位有效位數 (ENOB)的性能。

 

高性能隔離式Σ-Δ調製器

 

更高性能的隔離式Σ-Δ調製器可滿足工業電機控製設計中的多 種需求
，並可通過縮小分流電阻尺寸來提高電機驅動器的功 效。ADI公司的調製器 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外部時鍾 速率下提供更寬的動態範圍。這使設計人員可以更為靈活地選 擇分流電阻大小，並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係統效率。

 

圖4. 高性能二階Σ-Δ調製器AD7403

 

采用ADSP-CM40x混合信號控製處理器的係統 解決方案

 

如前所述，實施Σ-Δ調製器需要使用數字濾波器
，這通常使用 FPGA或ASIC來實現。ADI公司混合信號控製處理器 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 接連接調製器。這有望加快運用阻性分流器和Σ-Δ調製器的電 流檢測技術的普及。

 

 

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