Σ-Δ转换用于电机控制

2019-10-30 10:04:26 13

【摘录于EETOP,  来源:ADI  作者:Jens Sorensen

Ʃ-&型模数转换器广泛用于需要高信号完整度和电气隔离的电机驱动应用。 虽然Σ-Δ技术本身已广为人知,但转换器使用常常存在不足,无法释放这种技术的全部潜力。本文从应用角度考察Σ-Δ ADC,并讨论如何在电机驱动中实现最佳性能。

简介

在三相电机驱动中测量隔离相电流时,有多种技术可供选择。图1显示了三种常用方法:一是隔离传感器(如霍尔效应或电流互感器)结合一个放大器;二是电阻分流器结合一个隔离放大器;三是电阻分流器结合一个隔离Σ-Δ ADC。  

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通常,Σ-Δ ADC针对的是需要高信号质量和电流隔离度的变频电机驱动和伺服应用。随ADC而来的还有解调和滤波,这些一般是由FIR滤波器(如三阶sinc滤波器sinc3)处理。

Σ-Δ ADC具有最低的分辨率(1位),但通过过采样、噪声整形、数字滤波和抽取,可以实现非常高的信号质量。Σ-Δ ADC和sinc滤波器的原理已广为人知且有据可查
采用Σ-Δ ADC,用户可以自由选择sinc滤波器延迟或输出数据保真度。抽取率较高时,延迟较长,但信号质量较高;抽取率较低时则相反。这种灵活性对于电机控制算法设计十分有利。通常,算法的某些部分对延迟敏感,而对反馈精度较不敏感。其它部分适合在较低动态特性和较高精度下工作,但对延迟较不敏感。举个例子,考虑图7 (a)所示的常规比例积分控制器(PI)。 4, 5 P部分和I部分采用相同的反馈信号工作,意味着该信号的动态特性必须适合两种控制路径。不过,P路径和I路径可以分离,如图7 (b)所示。由此还可以再前进一小步,图7 (c)显示P路径和I路径分离,并且采用具有不同动态特性的反馈信号工作。 
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P部分的任务是抑制快速负载变化和快速速度变化,但精度不是主要考虑。换言之,低抽取率和短延迟的sinc滤波器对P部分有利。I部分的任务是确保稳态性能稳定且精确,它要求高精度。因此,高抽取率和较长延迟的sinc滤波器对I部分有利。这就产生了图8所示的实现方案。
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本文所述的概念已在ADI公司的一个400 V电机控制平台上得到实现和验证。尽管缺少明确定义的采样时刻,但Σ-Δ转换可用来测量电机电流而不会有混叠效应。本文所述技术可将sinc滤波器对PWM信号的脉冲响应正确对齐。以PI控制器为例,本文说明可以调谐两个并联sinc滤波器来满足控制算法的要求,从而改善带宽和稳态性能。