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積分三角調變器提升動作控制效率
量測電流改善馬達控制

【作者: Nicola O’Byrne】   2016年08月23日 星期二

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工業動作控制涵蓋了廣泛的應用領域, 範圍從以變頻器為基礎的電扇或是幫浦控制,到以更為複雜的AC(交流)驅動控制的工廠自動化,一直到先進的自動化應用,像是以複雜的伺服控制的機器人等。這些系統需要感測許多的變數,像是馬達繞組電流或電壓、dc(直流)連結電流或電壓、轉子位置以及速度等。變數的挑選以及所需要的量測精確度必須依據終端應用裝置的需要、系統架構、目標系統成本或是系統複雜度而定。還有其它的考量,例如條件監測等的加值功能。據報告指出,馬達消耗的全球電力達40%之多,因此國際法規已經在所有範圍的工業馬達應用上更加著重在系統效率(參照圖1)。



圖1 : 工業驅動應用領域的範圍
圖1 : 工業驅動應用領域的範圍

在不同馬達控制訊號鏈拓墣中的電流與電壓感測技術會隨著馬達功率等級、系統性能需求、以及終端應用裝置等而有所不同。在本文中,馬達控制訊號鏈的實現方案會隨著感測器的選擇、電流隔離需求、A/D轉換器的挑選、系統整合度、以及系統的電源/接地分割而有所差異。雖然隔離需求往往會對最終的電路拓墣與架構產生顯著的影響,但是本文將專注在改善電流感測的量測方面(我們視為促進要素之一),藉以實現更具效率的馬達控制系統。


I與V的量測

通用的馬達控制訊號鏈如圖2中所示。藉由訊號調節來實現高保真度的量測並不是沒有用的。相位電流的感測特別具有挑戰性,因為此節點會連結到與變頻器區塊核心中閘極驅動器輸出相同的電路節點上,因此在隔離電壓與處理切換暫態方面會具有相同的需求。


在馬達控制中最常被使用的電流感測器就是分流電阻、霍爾效應感測器(HE)、以及電流變壓器(CT)。雖然分流電阻不提供隔離功能而且會招致損失,但它們是所有感測器中最具線性、最低成本,而且同時適合AC與DC量測的方式。降低訊號位準以便使分流電阻功率損失下降,通常可以將損失限制在50 A或是更低的狀態。電流變壓器與霍爾效應感測器原本就具備了隔離功能,這使得它們能夠被使用於高電流系統當中,但是它們具有較高的成本,而且會產生出精確度低於使用分流感測器的解決方案(若不是因為較差的初始精確度,就是較差的相對於溫度的精確度)。除了感測器類型之外,還有數個馬達電流量測節點可以選擇,如圖3所示,以直接在相位繞組量測最為理想,並且使用於最高性能的系統當中。


有許多感測馬達電流的拓墣,會對許多的因素加以考量,像是成本、功率與性能位準等,但是對於大部分系統設計者來說,最具關鍵性的目標就是以他們的成本要求而改善效率。


圖3 : 隔離與非隔離馬達回授電流
圖3 : 隔離與非隔離馬達回授電流

從霍爾效應感測器到分流電阻

與隔離式積分三角調變器耦合的分流電阻能夠提供高品質的回授電流(在電流位準足夠低的位置)。對於系統設計者來說,從使用霍爾效應感測器轉往分流電阻的趨勢很明顯,而另一項額外的趨勢則是從隔離式放大器方案移向隔離式調變器。系統設計者經常會為了隔離式放大器而以分流電阻選擇取代霍爾效應感測器,並持續使用先前在以霍爾效應感測器為基礎的設計當中所使用的A/D轉換器。在這種情況下,性能會受到隔離式放大器所限制,不管A/D的性能如何。


以隔離式積分三角調變器取代隔離式放大器與A/D將可以消除此性能瓶頸,並大幅改善其設計─通常可以從9至10位元品質回授提升到12位元的位準。類比過電流保護電路也有消除掉的潛在可能性,因為必須要用來處理積分三角調變器輸出的數位濾波器,也可以將組態設定成執行快速的OCP(可選過電流保護)迴路。


目前的積分三角調變器可能會有+/- 250 mV的差動輸入範圍,以及使用於OCP的+/-320 mV全尺度,其非常適合使用於電阻分流量測。類比輸入會由類比調變器持續的加以取樣,而輸入資訊則包含於高達20 MHz之資料速率的數位輸出串流當中。原始資訊可以利用適當的數位濾波器加以重建。由於轉換性能可以和頻寬、或是濾波器群組延遲加以權衡,因此一個較為粗糙、更為快速的濾波器可以在2 μs階上提供快速響應OCP,很適合當作IGBT保護之用。


降低分流電阻的尺寸

從訊號量測的立場來說,有幾項關鍵性挑戰會與分流電阻的挑選有關,因此在敏感度與功率耗損之間必須有所權衡。由於自熱效應所導致的非線性度可能也會成為在使用較高價值電阻上的挑戰。設計者要面對的是如何權衡,而挑選一個可以在不同電流位準下適用於許多模型與馬達之分流尺寸的常見需求則會使這項權衡更加的複雜。在面對峰值電流可能達到馬達數倍的額定電流,而且必須要可靠的擷取到這兩者的情況下,維持動態範圍會是一項挑戰。


在面對這些挑戰時,系統設計者正在找尋具有更寬廣動態範圍、或是更好的訊號雜訊失真比(SINAD)的優秀積分三角調變器。目前已經發表的隔離式積分三角調變器能夠以高達12位元的有效位元數(ENOB)保證性能提供16位元的解析度。


圖4 :  高性能、第二階積分三角調變器AD7403。
圖4 : 高性能、第二階積分三角調變器AD7403。

高性能隔離式積分三角調變器

較高性能的隔離式積分三角調變器可以支援工業馬達控制設計中的數項需求,並透過分流電阻尺寸的縮減而改善馬達驅動的電力效率。工業範例之一就是美商亞德諾(ADI)的AD7403調變器(圖4)。它能夠在20 MHz的相同外部時脈速率下提供更為寬廣的動態範圍。該元件可以實現更加彈性化的分流尺寸選擇,並且讓分流電阻的使用取代較高電流位準的HE。該晶片的ENOB一般情況下為14.2位元。動態響應也可以透過量測延遲的降低而獲得改善。該元件也具備了比前一代更高連續工作電壓(VIORM)的隔離架構,如此將可以藉由較高的dc匯流排電壓與較低的電流而帶來更高的系統效率。


使用混合訊號控制處理器的系統解決方案

如同前文提及,積分三角調變器執行方案需要一組數位濾波器。傳統上,這會利用FPGA或是ASIC來加以執行。由ADI所開發-ADSP-CM408F混合訊號控制處理器的問世將會改變此設計難題,因為該元件包含了硬體Sinc濾波器,而且可以讓調變器直接連結,這可能會導致電阻分流與積分三角調變器技術的使用率提高。


(本文作者為美商ADI資深系統應用工程師)


刊頭圖片來源(Source:www.ipmpumps.co.uk)


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