工業運動控制涵蓋了廣泛的應用，從基于逆變器的風扇或泵控制，到具有更復雜的交流驅動控制的工廠自動化，再到具有復雜伺服控制的機器人等高級自動化應用。這些系統需要對許多變量進行檢測和反饋，例如電機繞組電流或電壓、直流母線電流或電壓、轉子位置和速度。變量的選擇和所需的測量精度取決于最終應用需求、系統架構、目標系統成本或系統復雜性。還有其他考慮因素，例如狀態監測等增值功能。據報道，電機消耗了全球40%的電力，國際法規對整個工業運動應用的系統效率更加關注（見圖1）。

圖1.工業驅動應用范圍。

各種電機控制信號鏈拓撲中的電流和電壓檢測技術因電機額定功率、系統性能要求和最終應用而異。在這種情況下，電機控制信號鏈的實現因傳感器選擇、電流隔離要求、ADC選擇、系統集成和系統電源/接地分區而異。雖然隔離要求通常會對最終的電路拓撲和架構產生重大影響，但本文將重點介紹改進電流檢測測量（作為其中一個影響因素），以實現更高效的電機控制系統。

I 和 V 測量

通用電機控制信號鏈如圖2所示。實現高保真測量的信號調理并非易事。相電流檢測尤其具有挑戰性，因為該節點與逆變器模塊核心內的柵極驅動器輸出連接到同一電路節點，因此在隔離電壓和處理開關瞬變方面具有相同的要求。

圖2.通用電機控制信號鏈。

電機控制中最常用的電流傳感器是分流電阻器、霍爾效應傳感器 （HES） 和電流互感器 （CT）。雖然分流電阻不提供隔離并產生損耗，但它們是所有傳感器中線性最強的，成本最低，適用于交流和直流測量。限制分流功率損耗所需的信號電平降低通常會將分流應用限制在50 A或更低。CT和HES提供固有的隔離，允許它們服務于高電流系統，但由于初始精度較差或溫度精度較差，因此成本更高，并且導致解決方案的精度低于分流電阻器所能實現的解決方案。除了傳感器類型外，還有幾個電機電流測量節點可供選擇（如圖3所示），直接同相繞組測量是理想的選擇，用于最高性能的系統。

圖3.隔離和非隔離電機電流反饋。

檢測電機電流的拓撲結構有很多，需要考慮許多因素，例如成本、功耗和性能水平，但大多數系統設計人員的一個關鍵目標是在其成本目標范圍內提高效率。

從 HES 到分流電阻器

分流電阻與隔離式Σ-Δ（Σ-Δ）調制器耦合，可提供最高質量的電流反饋（電流水平足夠低）。對于系統設計人員來說，從HES轉向分流電阻器是一個顯著的趨勢，另一個趨勢是轉向隔離式調制器，而不是隔離式放大器方法。通常，系統設計人員用分流電阻代替HES時，會選擇隔離放大器，并繼續使用以前在基于HES的設計中使用的ADC。在這種情況下，無論模數性能如何，性能都將受到隔離放大器的限制。

用隔離式Σ-Δ調制器代替隔離式放大器和ADC將消除性能瓶頸并大大改善設計，通常將其從9位至10位質量反饋變為12位電平。模擬過流保護電路（OCP）也可以被取消，因為處理Σ-Δ調制器輸出所需的數字濾波器也可以配置為實現快速OCP環路。

可用的Σ-Δ調制器可能具有±250 mV的差分輸入范圍，其中±320 mV滿量程用于OCP，非常適合電阻分流測量。模擬輸入由模擬調制器連續采樣，輸入信息包含在數據速率高達20 MHz的數字輸出流中。原始信息可以用適當的數字濾波器重建。由于轉換性能可以與帶寬或濾波器群延遲進行權衡，因此更粗糙、更快的濾波器可以提供2 μs量級的快速響應OCP，非常適合IGBT保護。

減小分流電阻器尺寸

從信號測量的角度來看，分流電阻的選擇存在一些關鍵挑戰，因為在靈敏度和功耗之間需要權衡。使用更高值電阻器時，自熱效應引起的非線性也是一個挑戰。設計人員面臨著權衡取舍的問題，而進一步加劇這種情況的是，通常需要選擇一種分流器尺寸，以服務于不同電流水平的許多型號和電機。面對可能是電機額定電流幾倍的峰值電流，并且需要可靠地捕獲兩者，保持動態范圍是一項挑戰。

面對這些挑戰，系統設計人員正在尋找具有更寬動態范圍或改進信噪比和失真比（SINAD）的卓越Σ-Δ調制器。迄今為止，隔離式Σ-Δ調制器產品已提供16位分辨率和高達12位有效位數（ENOB）的保證性能。

高性能隔離式Σ-Δ調制器

更高性能的隔離式Σ-Δ調制器將支持工業電機控制設計中的多種需求，并通過減小分流電阻器尺寸來提高電機驅動器的功率效率。ADI公司的AD7403調制器就是一個行業示例（見圖4）。它是AD7401A的下一代產品，在20 MHz的相同外部時鐘速率下提供更寬的動態范圍。它允許更靈活的分流尺寸選擇，并允許在較高電流水平下使用分流電阻代替HES。芯片的ENOB通常為14.2位。通過減少測量延遲，還可以改善動態響應。該器件還具有比上一代產品更高的連續工作電壓 （VIORM） 的隔離方案，可通過更高的直流總線電壓和更低的電流來提高系統效率。

圖4.AD7403是一款高性能、二階Σ-Δ調制器

采用ADSP-CM40x混合信號控制處理器的系統解決方案

如前所述，Σ-Δ調制器的實現需要一個數字濾波器。這傳統上是用FPGA或ASIC實現的。ADI公司推出的ADSP-CM408F混合信號控制處理器將緩解這一設計問題，因為它包括調制器可直接連接的硬件sinc濾波器。這可能會導致電阻分流和Σ-Δ調制器技術的采用率提高。

審核編輯：郭婷