电机控制中电流采样原理解析

电力电子与电力传动专业硕士研究生，一个从事了20多年的功率控制的工程小兵，有多年的电机驱动和电源控制经验，专注电力电子控制方向。

电机控制中电流采样

电流采样是控制系统的主反馈，对精度、响应速度、同步性都有要求。

电流采样需要直接测量主回路功率器件部位，常用的电流传感器为分流电阻、霍尔效应(HE)传感器以及电流互感器(CT)。

CT传感器和HE传感器可提供固有的隔离,但是它们的成本更高,并且采用此类传感器的解决方案在精度上不及采用分流电阻的解决方案。

Σ-Δ隔离采样是将分流电阻电压转换为调制脉冲信号，采用数字隔离方式实现采样与隔离。

Σ-Δ电流采样优点

容易实现模拟隔离采样：

主回路的开关噪声对控制电路干扰大，会影响系统稳定性和控制精度，隔离Σ-Δ采样可以实现控制与主回路隔离。

隔离Σ-Δ转换器是采用脉冲输出方式传输信号，通过数字隔离芯片的原理实现隔离，较模拟隔离成本低而且失真小。

Σ-Δ转换器是采用积分（累加）方式转换模拟信号，对开关噪声干扰抑制有天然优势。

属于外置模数转换，较MCU集成ADC结构，不受MCU芯片中数字部分信号干扰，AD转换结果更加稳定准确。

Σ-Δ转换器已经实现国产化，成本价格大幅下降。

Σ-Δ工作原理

1-bit DAC的输出只有两种电压，取决于给它提供的电压基准Vref+和Vref-：

输入为0，输出为Vref-

输入为1，输出为Vref+

sigma-delta调制的运算过程：

输入与1-bit DAC相减，得到误差

对误差积分

积分结果与0比较，输出调制信号

同时，调制信号再通过1-bit DAC反馈到输入侧，与输入相减

Σ-Δ特性

Σ-Δ转换器是1位采样系统，转换器对其进行多次采样，这种技术称为过采样。采样率比输出端口的数字结果快数百倍。

Σ-Δ转换器有两个数字接口：MDAT串行数据输出、MCLK主机时钟逻辑输入或输出。

Σ-Δ滤波器常用的模式有以下三种：SINC2、SINC3、SINCfast。SINC2、SINC3多用于电流采样；SINCfast在3-5bit ENOB建立时间最短，更适合过流或短路保护。

如何实现

？

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SDM信号接收单元

SDM 模块包含了 4 个彼此独立的滤波器环节，可以同时对4 路的∑Δ信号进行解码。

每一个通道含有独立、可配置的第一滤波器 (PCM_CIC 数据滤波器) 单元。支持Sinc1 /Sinc2 /SincFast /Sinc3四种模式，OSR在 1–256 之间。

每一个通道含有独立、可配置的第二滤波器 (AMP_CIC+ 比较器) 单元。可同时监测：高门限越界、低门限越界、过零门限这三种事件。这些监测信号可连接至互联管理器后可以用来产生推动后继的相应控制逻辑。过采样率（OSR）可在 1–32 之间配置。

02

PCM_CIC 数据滤波器配置

Σ-Δ转换器的MCLK可以由clock_ref功能由引脚从内部PLL直接分配输出。时钟精度更高，抖动更小。

MCLK、MDAT需要设置为双时钟同步后再使用，否则容易产生数据错误故障报警。在sdm_get_default_module_control（）已经配置完成。

采样模式根据Σ-Δ转换器配置即可，一般是下降沿。

03

PCM_CIC 数据滤波器配置

Σ-Δ滤波器可以选择连续采样，连续采样不建议使用FIFO；也可以选择同步采样，实现数据通路的数据采样与外部事件（PWM同步） 实现电流采样与PWM相位同步，同时减少中断对CPU时间的占用。

当同步采样时，置位CH[x][SDCTRLP[FFSYNCCLREN]]，新的触发事件会自动清除 FIFO 内容。

下图为同步使能时的配置

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AMP_CIC幅值通路配置

幅值通路是用来监控的输入并快速响应，实现过流保护。

幅值通路没有同步事件控制， 同时支持Sinc1、Sinc2、Sinc3、和 SincFast 类型。

幅值通道 Sinc 滤波器输出的幅值信号可直接实时地从 CH[x][SCAMP] 读出，没有FIFO 作为缓存。

下图是上限保护配置，阈值是中间位（128）+0.7*最大幅值。

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中断处理

幅值通路和数据通路是共用一个中断源，需要通过标志位确认中断产生原因。

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与PWM互联

SDM与PWM互联可以实现以下功能：采样同步、故障输出保护。

采样同步的同步触发源是CH[SDCTRLP].SYNCSEL是互联管理器输出中的SDM_TRG0-15序列，即trig_mux0触发0-3，trig_mux1触发4-7，trig_mux2触发8-11，trig_mux3触发12-15。

故障输出可以根据需要配置高低限报警。

总 结

Σ-Δ滤波对PWM产生的干扰有更好的抑制作用，便捷实现高低压隔离，外置采样电路具有更高的精度。

相较于FPGA的Σ-Δ接口，HPM6200中的SDM模块具更多的滤波器模式选择，支持Sinc1、Sinc2、SincFast、Sinc3多种模式；SDM模块不仅支持连续采样模式，同时可与内部PWM相位的准确同步，令电流控制更准确，更改PWM载波频率更方便。

HPM6200为高算力MCU，SDM模块的采样频率可达200Mhz，MCLK最高可以设置到20Mhz（Manchester 模式除外），在确保采样精度的前提下可以更短的时间内完成转换。

HPM6200中的SDM包含幅值模块，集成了过流保护功能，降低控制成本，优化控制电路面积。

审核编辑：汤梓红