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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