Σ-Δ調制器提高運動控制效率設計方案

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，并需考慮多種因素，例如成本、功耗以及性能水平，但對大多數(shù)系統(tǒng)設計人員而言，一個重要目標是在成本控制范圍內提高效率。

從霍爾效應傳感器到分流電阻

與隔離式Σ-Δ調制器耦合的分流電阻可提供最優(yōu)質的電流反饋，其中的電流電平足夠低。目前，系統(tǒng)設計人員明顯傾向于從霍爾效應傳感器轉移到分流電阻，并且與隔離式放大器方案相比，設計人員更傾向于采用隔離式調制器方案。將霍爾效應傳感器替換為分流電阻的系統(tǒng)設計人員往往會選擇隔離式放大器，并繼續(xù)使用之前在基于霍爾效應傳感器的設計中使用的模數(shù)轉換器（ADC）。這種情況下，無論ADC性能如何，設計性能都會受到隔離式放大器的限制。

將隔離式放大器和ADC替換為隔離式Σ-Δ調制器可消除性能瓶頸，并大大改善設計，通?？蓪⑵鋸?到10位的優(yōu)質反饋提升到12位水平。此外，還可配置處理Σ-Δ調制器輸出所需的數(shù)字濾波器，以實現(xiàn)快速過流保護（OCP）環(huán)路，從而無需模擬過流保護電路。

現(xiàn)有Σ-Δ調制器可提供±250 mV（±320 mV滿量程用于OCP）的差分輸入范圍，特別適合阻性分流器測量。模擬調制器對模擬輸入持續(xù)采樣，而輸入信息則包含在數(shù)字輸出流內，其數(shù)據(jù)速率最高可達20 MHz.通過適當?shù)臄?shù)字濾波器可重構原始信息。由于轉換性能可與帶寬或濾波器群延遲進行交換，因此更粗略、更快速的濾波器能夠以大約2μs的時間提供快速OCP響應，非常適合IGBT保護。

縮小分流電阻尺寸

從信號測量方面來看，一些主要難題與分流電阻的選擇有關，因為需要實現(xiàn)靈敏度和功耗之間的平衡。電阻自身的發(fā)熱效應導致的非線性情況也會是使用較大電阻所面臨的挑戰(zhàn)。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。如果面對數(shù)倍于電機額定電流的峰值電流，并需要可靠捕獲兩者的值，則保持動態(tài)范圍也是一個難題。

面對這些難題，系統(tǒng)設計人員非常需要具有更寬動態(tài)范圍或更高信噪比和信納比（SINAD）的優(yōu)異Σ-Δ調制器。最新的隔離式Σ-Δ調制器產品具有16位分辨率，并可確保高達12位有效位數(shù)（ENOB）的性能。

圖4：高性能二階Σ-Δ調制器AD7403

高性能隔離式Σ-Δ調制器

更高性能的隔離式Σ-Δ調制器可滿足工業(yè)電機控制設計中的多種需求，并可通過縮小分流電阻尺寸來提高電機驅動器的功效。ADI公司的調制器AD7403就是一個很好的工業(yè)應用實例（參見圖4）。它是AD7401A的新一代產品，可在相同的20 MHz外部時鐘速率下提供更寬的動態(tài)范圍。這使設計人員可以更為靈活地選擇分流電阻大小，并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(tài)響應。這款器件的隔離方案支持比上一代產品更高的連續(xù)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系統(tǒng)效率。

采用ADSP-CM40x混合信號控制處理器的系統(tǒng)解決方案

如前所述，實施Σ-Δ調制器需要使用數(shù)字濾波器，這通常使用FPGA或ASIC來實現(xiàn)。ADI公司混合信號控制處理器ADSP-CM408F的出現(xiàn)將改變這種設計方式，因為它包含Sinc濾波器硬件，可直接連接調制器。這有望加快運用阻性分流器和Σ-Δ調制器的電流檢測技術的普及。