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积分三角调变器提升动作控制效率
量测电流改善马达控制

【作者: Nicola O’Byrne】2016年08月23日 星期二

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工业动作控制涵盖了广泛的应用领域, 范围从以变频器为基础的电扇或是帮浦控制,到以更为复杂的AC(交流)驱动控制的工厂自动化,一直到先进的自动化应用,像是以复杂的伺服控制的机器人等。这些系统需要感测许多的变数,像是马达绕组电流或电压、dc(直流)连结电流或电压、转子位置以及速度等。变数的挑选以及所需要的量测精确度必须依据终端应用装置的需要、系统架构、目标系统成本或是系统复杂度而定。还有其它的考量,例如条件监测等的加值功能。据报告指出,马达消耗的全球电力达40%之多,因此国际法规已经在所有范围的工业马达应用上更加着重在系统效率(参照图1)。



图1 : 工业驱动应用领域的范围
图1 : 工业驱动应用领域的范围

在不同马达控制讯号链拓墣中的电流与电压感测技术会随着马达功率等级、系统性能需求、以及终端应用装置等而有所不同。在本文中,马达控制讯号链的实现方案会随着感测器的选择、电流隔离需求、A/D转换器的挑选、系统整合度、以及系统的电源/接地分割而有所差异。虽然隔离需求往往会对最终的电路拓墣与架构产生显著的影响,但是本文将专注在改善电流感测的量测方面(我们视为促进要素之一),借以实现更具效率的马达控制系统。


I与V的量测

通用的马达控制讯号链如图2中所示。藉由讯号调节来实现高保真度的量测并不是没有用的。相位电流的感测特别具有挑战性,因为此节点会连结到与变频器区块核心中闸极驱动器输出相同的电路节点上,因此在隔离电压与处理切换暂态方面会具有相同的需求。


在马达控制中最常被使用的电流感测器就是分流电阻、霍尔效应感测器(HE)、以及电流变压器(CT)。虽然分流电阻不提供隔离功能而且会招致损失,但它们是所有感测器中最具线性、最低成本,而且同时适合AC与DC量测的方式。降低讯号位准以便使分流电阻功率损失下降,通常可以将损失限制在50 A或是更低的状态。电流变压器与霍尔效应感测器原本就具备了隔离功能,这使得它们能够被使用于高电流系统当中,但是它们具有较高的成本,而且会产生出精确度低于使用分流感测器的解决方案(若不是因为较差的初始精确度,就是较差的相对于温度的精确度)。除了感测器类型之外,还有数个马达电流量测节点可以选择,如图3所示,以直接在相位绕组量测最为理想,并且使用于最高性能的系统当中。


有许多感测马达电流的拓墣,会对许多的因素加以考量,像是成本、功率与性能位准等,但是对于大部分系统设计者来说,​​最具关键性的目标就是以他们的成本要求而改善效率。


图3 : 隔离与非隔离马达回授电流
图3 : 隔离与非隔离马达回授电流

从霍尔效应感测器到分流电阻

与隔离式积分三角调变器耦合的分流电阻能够提供高品质的回授电流(在电流位准足够低的位置)。对于系统设计者来说,​​从使用霍尔效应感测器转往分流电阻的趋势很明显,而另一项额外的趋势则是从隔离式放大器方案移向隔离式调变器。系统设计者经常会为了隔离式放大器而以分流电阻选择取代霍尔效应感测器,并持续使用先前在以霍尔效应感测器为基础的设计当中所使用的A/D转换器。在这种情况下,性能会受到隔离式放大器所限制,不管A/D的性能如何。


以隔离式积分三角调变器取代隔离式放大器与A/D将可以消除此性能瓶颈,并大幅改善其设计─通常可以从9至10位元品质回授提升到12位元的位准。类比过电流保护电路也有消除掉的潜在可能性,因为必须要用来处理积分三​​角调变器输出的数位滤波器,也可以将组态设定成执行快速的OCP(可选过电流保护)回路。


目前的积分三角调变器可能会有+/- 250 mV的差动输入范围,以及使用于OCP的+/-320 mV全尺度,其非常适合使用于电阻分流量测。类比输入会由类比调变器持续的加以取样,而输入资讯则包含于高达20 MHz之资料速率的数位输出串流当中。原始资讯可以利用适当的数位滤波器加以重建。由于转换性能可以和频宽、或是滤波器群组延迟加以权衡,因此一个较为粗糙、更为快速的滤波器可以在2 μs阶上提供快速响应OCP,很适合当作IGBT保护之用。


降低分流电阻的尺寸

从讯号量测的立场来说,有几项关键性挑战会与分流电阻的挑选有关,因此在敏感度与功率耗损之间必须有所权衡。由于自热效应所导致的非线性度可能也会成为在使用较高价值电阻上的挑战。设计者要面对的是如何权衡,而挑选一个可以在不同电流位准下适用于许多模型与马达之分流尺寸的常见需求则会使这项权衡更加的复杂。在面对峰值电流可能达到马达数倍的额定电流,而且必须要可靠的撷取到这两者的情况下,维持动态范围会是一项挑战。


在面对这些挑战时,系统设计者正在找寻具有更宽广动态范围、或是更好的讯号杂讯失真比(SINAD)的优秀积分三角调变器。目前已经发表的隔离式积分三角调变器能够以高达12位元的有效位元数(ENOB)保证性能提供16位元的解析度。


图4 : 高性能、第二阶积分三角调变器AD7403。
图4 : 高性能、第二阶积分三角调变器AD7403。

高性能隔离式积分三角调变器

较高性能的隔离式积分三角调变器可以支援工业马达控制设计中的数项需求,并透过分流电阻尺寸的缩减而改善马达驱动的电力效率。工业范例之一就是美商亚德诺(ADI)的AD7403调变器(图4)。它能够在20 MHz的相同外部时脉速率下提供更为宽广的动态范围。该元件可以实现更加弹性化的分流尺寸选择,并且让分流电阻的使用取代较高电流位准的HE。该晶片的ENOB一般情况下为14.2位元。动态响应也可以透过量测延迟的降低而获得改善。该元件也具备了比前一代更高连续工作电压(VIORM)的隔离架构,如此将可以藉由较高的dc汇流排电压与较低的电流而带来更高的系统效率。


使用混合讯号控制处理器的系统解决方案

如同前文提及,积分三角调变器执行方案需要一组数位滤波器。传统上,这会利用FPGA或是ASIC来加以执行。由ADI所开发-ADSP-CM408F混合讯号控制处理器的问世将会改变此设计难题,因为该元件包含了硬体Sinc滤波器,而且可以让调变器直接连结,这可能会导致电阻分流与积分三角调变器技​​术的使用率提高。


(本文作者为美商ADI资深系统应用工程师)


刊头图片来源(Source:www.ipmpumps.co.uk)


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