Σ-Δ调制器提高运动控制效率

工业运动控制涵盖了广泛的应用，从基于逆变器的风扇或泵控制，到具有更复杂的交流驱动控制的工厂自动化，再到具有复杂伺服控制的机器人等高级自动化应用。这些系统需要对许多变量进行检测和反馈，例如电机绕组电流或电压、直流母线电流或电压、转子位置和速度。变量的选择和所需的测量精度取决于最终应用需求、系统架构、目标系统成本或系统复杂性。还有其他考虑因素，例如状态监测等增值功能。据报道，电机消耗了全球40%的电力，国际法规对整个工业运动应用的系统效率更加关注（见图1）。

图1.工业驱动应用范围。

各种电机控制信号链拓扑中的电流和电压检测技术因电机额定功率、系统性能要求和最终应用而异。在这种情况下，电机控制信号链的实现因传感器选择、电流隔离要求、ADC选择、系统集成和系统电源/接地分区而异。虽然隔离要求通常会对最终的电路拓扑和架构产生重大影响，但本文将重点介绍改进电流检测测量（作为其中一个影响因素），以实现更高效的电机控制系统。

I 和 V 测量

通用电机控制信号链如图2所示。实现高保真测量的信号调理并非易事。相电流检测尤其具有挑战性，因为该节点与逆变器模块核心内的栅极驱动器输出连接到同一电路节点，因此在隔离电压和处理开关瞬变方面具有相同的要求。

图2.通用电机控制信号链。

电机控制中最常用的电流传感器是分流电阻器、霍尔效应传感器 （HES） 和电流互感器 （CT）。虽然分流电阻不提供隔离并产生损耗，但它们是所有传感器中线性最强的，成本最低，适用于交流和直流测量。限制分流功率损耗所需的信号电平降低通常会将分流应用限制在50 A或更低。CT和HES提供固有的隔离，允许它们服务于高电流系统，但由于初始精度较差或温度精度较差，因此成本更高，并且导致解决方案的精度低于分流电阻器所能实现的解决方案。除了传感器类型外，还有几个电机电流测量节点可供选择（如图3所示），直接同相绕组测量是理想的选择，用于最高性能的系统。

图3.隔离和非隔离电机电流反馈。

检测电机电流的拓扑结构有很多，需要考虑许多因素，例如成本、功耗和性能水平，但大多数系统设计人员的一个关键目标是在其成本目标范围内提高效率。

从 HES 到分流电阻器

分流电阻与隔离式Σ-Δ（Σ-Δ）调制器耦合，可提供最高质量的电流反馈（电流水平足够低）。对于系统设计人员来说，从HES转向分流电阻器是一个显著的趋势，另一个趋势是转向隔离式调制器，而不是隔离式放大器方法。通常，系统设计人员用分流电阻代替HES时，会选择隔离放大器，并继续使用以前在基于HES的设计中使用的ADC。在这种情况下，无论模数性能如何，性能都将受到隔离放大器的限制。

用隔离式Σ-Δ调制器代替隔离式放大器和ADC将消除性能瓶颈并大大改善设计，通常将其从9位至10位质量反馈变为12位电平。模拟过流保护电路（OCP）也可以被取消，因为处理Σ-Δ调制器输出所需的数字滤波器也可以配置为实现快速OCP环路。

可用的Σ-Δ调制器可能具有±250 mV的差分输入范围，其中±320 mV满量程用于OCP，非常适合电阻分流测量。模拟输入由模拟调制器连续采样，输入信息包含在数据速率高达20 MHz的数字输出流中。原始信息可以用适当的数字滤波器重建。由于转换性能可以与带宽或滤波器群延迟进行权衡，因此更粗糙、更快的滤波器可以提供2 μs量级的快速响应OCP，非常适合IGBT保护。

减小分流电阻器尺寸

从信号测量的角度来看，分流电阻的选择存在一些关键挑战，因为在灵敏度和功耗之间需要权衡。使用更高值电阻器时，自热效应引起的非线性也是一个挑战。设计人员面临着权衡取舍的问题，而进一步加剧这种情况的是，通常需要选择一种分流器尺寸，以服务于不同电流水平的许多型号和电机。面对可能是电机额定电流几倍的峰值电流，并且需要可靠地捕获两者，保持动态范围是一项挑战。

面对这些挑战，系统设计人员正在寻找具有更宽动态范围或改进信噪比和失真比（SINAD）的卓越Σ-Δ调制器。迄今为止，隔离式Σ-Δ调制器产品已提供16位分辨率和高达12位有效位数（ENOB）的保证性能。

高性能隔离式Σ-Δ调制器

更高性能的隔离式Σ-Δ调制器将支持工业电机控制设计中的多种需求，并通过减小分流电阻器尺寸来提高电机驱动器的功率效率。ADI公司的AD7403调制器就是一个行业示例（见图4）。它是AD7401A的下一代产品，在20 MHz的相同外部时钟速率下提供更宽的动态范围。它允许更灵活的分流尺寸选择，并允许在较高电流水平下使用分流电阻代替HES。芯片的ENOB通常为14.2位。通过减少测量延迟，还可以改善动态响应。该器件还具有比上一代产品更高的连续工作电压 （VIORM） 的隔离方案，可通过更高的直流总线电压和更低的电流来提高系统效率。

图4.AD7403是一款高性能、二阶Σ-Δ调制器

采用ADSP-CM40x混合信号控制处理器的系统解决方案

如前所述，Σ-Δ调制器的实现需要一个数字滤波器。这传统上是用FPGA或ASIC实现的。ADI公司推出的ADSP-CM408F混合信号控制处理器将缓解这一设计问题，因为它包括调制器可直接连接的硬件sinc滤波器。这可能会导致电阻分流和Σ-Δ调制器技术的采用率提高。

审核编辑：郭婷