工业运动控制涵盖一系列应用,包括基于逆变器的风扇或泵控制、具有更为复杂的交流驱动控制的工厂自动化以及高级自动化应用(如具有高级伺服控制的机器人)。这些系 统需要检测和反馈多个变量,例如电机绕组电流或电压、 直流链路电流或电压、转子位置和速度。在诸如增值功能 (如状态监控)等考虑因素中,终端应用需求、系统架构、 目标系统成本或系统复杂度将决定变量的选择和所需的测 量精度。据报道,电机占全球总能耗的40%,国际法规越 来越注重整个工业运动应用的系统效率,因此,这些变量 越来越重要,特别是电流和电压。
本文将根据电机额定功率、系统性能要求以及终端应用, 重点讨论各种电机控制信号链拓扑中的电流与电压检测。 在此情况下,电机控制信号链的实现会因传感器选择、电 流隔离要求、模数转换器(ADC)选择、系统集成以及系统 功耗和接地划分的不同而有所差异。
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工业驱动器应用图谱
从简单的逆变器到复杂的伺服驱动器,电机控制应用涵盖 一系列电机类型,但所有电机均包含特定功率级的电机控 制系统,以及具有不同级别的检测和反馈,可驱动脉冲宽 度调制器(PWM)模块的处理器。图1为应用图谱的简化图, 展示了复杂度从左至右逐步提高的各种系统,首先是简单 的控制系统,如无需精密反馈仅使用简单微处理器即可实现的泵、风扇和压缩机。随着系统复杂度的提高(即移向图 谱的较高端),复杂控制系统要求精确反馈和高速通信接 口。例如带传感器或不带传感器的矢量控制感应电机或永 磁电机,以及针对图1中所示效率而设计的高功率工业驱 动器(如大型泵、风扇和压缩机)。图谱的最高端为复杂的 伺服驱动器,用于机器人、机床以及贴片机器等应用。随 着系统复杂度的提高,变量的检测和反馈变得越来越关键。
驱动器架构系统划分
我们在设计满足各种工业运动控制应用需求的系统时可能 会遇到各种问题。通用电机控制信号链如图2所示。
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隔离要求非常重要,通常对产生的电路拓扑和架构具有显 著影响。需要考虑两个关键因素:隔离的原因和位置。
隔离分类的要求取决于前者。可能要求高压安全隔离 (SELV)以防电击,或功能隔离以便在非致命电压之间进行 电平转换,或为实现数据完整性并消除噪音而要求进行隔 离。隔离位置通常由系统的预期性能决定。电机控制通常 是在充满电噪声的恶劣环境中进行,采用的设计通常需承 受数百伏的共模电压,可能会在超过20 kHz的频率下切换,并具有极高的瞬态dv/dt上升时间。为此,性能较高的系统 和固有噪声较高的大功率系统通常会设计为具有与控制级 相隔离的功率级。无论是采用单处理器还是双处理器设计都 会影响隔离位置。在性能较低的低功耗系统中,通常是在数 字通信接口上进行隔离,这意味着功率级和控制级处于同一 电位。低端系统需隔离的通信接口带宽较低。由于高端系统 要求具有较高带宽,且传统隔离技术具有局限性,因此,隔 离高端系统的通信端口通常会比较困难。但是随着磁性隔离 的CAN和RS-485收发器产品(如www.analog.com/icoupler上 ADI公司的产品)的问世,情况正在发生变化。
在高性能闭环电机控制设计中,两个关键的元件构成为 PWM调制器输出和电机相位电流反馈。图3a和图3b展示了 需要进行安全隔离的位置,具体位置取决于控制级是与功 率级共享相同的电位还是以接地为基准。无论何种情况, 高端栅极驱动器和电流检测节点都需要隔离,但是图3a中 的隔离等级不同,这些节点只需进行功能隔离,而在图3b 中,这些节点的人员安全隔离(即电流隔离)至关重要。
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电流和电压检测的测量技术与拓扑
除上文所述的系统功率和接地划分外,为检测电流和电压 而实现的信号链还会因传感器选择、电流隔离要求、ADC 选择以及系统集成的不同而有所差异。为实现高保真测量 而进行的信号调理并非易事。例如,在如此嘈杂的环境中 恢复小信号或传送数字信号就非常具有挑战性,而隔离模 拟信号则是更大的挑战。在许多情况下,信号隔离电路会 引起相位延迟使得系统动态性能受限的。相位电流检测尤 其困难,因为该节点连接的电路节点与功率级(逆变器模 块)核心中的栅极驱动器输出的节点相同,因此在隔离电源 和开关瞬变方面的需求也相同。通常根据以下三个关键因 素来确定需在电机控制系统中实施的测量信号链(技术、信 号调理和ADC):
1、决定测量需求的系统中的点或节点。
2、电机功率水平以及最终选择的传感器(本身是否具有 隔离功能)。传感器选择在很大程度上影响着ADC的 选择,包括转换器架构、功能以及模拟输入范围。
3 、终端应用。这可推动检测信号链中对高分辨率、精度或速度的需要。
例如,在较大的速度范围内实现 不带传感器的控制要求进行更多、更频繁、更精确 的测量。终端应用还会影响对ADC功能的要求。例 如,多轴控制可能需要通道数更高的ADC。
电流和电压传感器
电机控制中最常用的电流传感器为分流电阻、霍尔效应 (HE)传感器以及电流互感器(CT)。虽然分流电阻具有隔离 功能且会在电流较高时出现损耗,但是它们是所有传感器 中最具线性、成本最低且适用于交流和直流测量的传感 器。为限制分流功率损耗的信号电平衰减通常将分流应用 限制为50 A或更低。CT传感器和HE传感器可提供固有的隔 离,因此能够用于电流较高的系统。但是它们的成本更 高,并且采用此类传感器的解决方案在精度上不及采用分 流电阻的解决方案,这是由于此类传感器本身的初始精度 较差或者在温度方面的精度较差。
电机电流测量位置和拓扑
除传感器类型外,还有许多可选的电机电流测量节点。平均直流链路电流即可满足控制需求,但是在更高级的驱动 器中,电机绕组电流用作主反馈变量。直接相位绕组电流 测量是理想的选择,可用于高性能系统。然而,在每个低 位逆变器引脚上使用分流器或在直流链路中使用单个分流 器可以间接测量绕组电流。这些方法的优势在于,分流信 号全都以共用电源为基准,但是从直流链路提取绕组电流 要求采样与PWM开关同步。采用以上任何一种电流检测 技术均可进行直接相位绕组电流测量,但是必须隔离分流 电阻信号。高共模放大器可提供功能隔离,但是人员安全 隔离必须由隔离式放大器或隔离式调制器提供。
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图4展示了上述各类电流反馈选择。虽然只需选择其中一 种即可进行控制反馈,但还可将直流链路电流信号用作备 份信号以进行保护。
如前所述,系统功率和接地划分将决定需要的隔离分类,并 从而判断出适用的反馈。系统的目标性能还会影响传感器选 择或测量技术。纵观整个性能图谱,还可实现许多配置。
低性能示例:共用电位上的功率级和控制级,检测选项A或B
使用引脚分流是一种最经济实惠的电机电流测量技术。在本例中,功率级与控制级共享同一电位,不存在要处理的 共模,并且选项A或选项B的输出可直接连接至信号调理电路及ADC。此类拓扑常见于微处理器中嵌有ADC的低功耗 和低性能系统。
高性能示例:控制级接地,检测选项C、D或E
在本例中,需要进行人员安全隔离。检测选项C、D和E均 有可能。在所有三个选项中,选项E提供最优质的电流反 馈,并且作为高性能系统,系统中可能存在FPGA或其他 形式的处理,可提供适用于隔离调制器信号的数字滤波 器。对于选项C的ADC选择,通常采用分立式隔离传感器 (很可能是闭环HE),以实现比使用当前嵌入式ADC产品更 高的性能。与共模放大器相比,该配置中的选项D为隔离 式放大器,因为需要进行安全隔离。隔离式放大器会使性 能受限,因此嵌入式ADC解决方案便可满足需要。与选项 C或E相比,该选项可提供保真度最低的电流反馈。此外, 虽然可将嵌入式ADC视为“免费”,将隔离式放大器视为“廉 价”,但实施时通常还需要额外的组件进行偏移补偿和电 平转换,以进行ADC输入范围匹配,从而提高了信号链的 总体成本。
在电机控制设计中,可采用许多拓扑检测电机电流,并需 考虑多种因素,例如成本、功率水平以及性能水平。大多 数系统设计人员的重要目标是改善电流检测反馈,以在其 成本目标范围内提高效率。对于较高端的应用,电流反馈 不仅对于效率,而且对于其他系统性能测量(如动态响应、 噪声或转矩波动)也至关重要。很显然,在各种可用的拓扑 中,存在性能由低到高的连续体,图5为粗略映射图,展 示了低功率和高功率选项。
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电机控制系统设计人员目标、需求以及发展趋 势:从HE传感器转换至分流电阻
与隔离式∑-Δ调制器耦合的分流电阻可提供最优质的电流 反馈,其中,电流电平足够低,完全可满足分流需求。目 前,系统设计人员的明显倾向于从HE传感器转换至分流电 阻,并且与隔离式放大器方案相比,设计人员还倾向于采 用隔离式调制器方案。仅仅更换传感器本身就可降低物料 清单(BOM)和PCB装配成本并提高传感器的精度。分流电 阻对磁场或机械振动均不敏感。将HE传感器替换为分流电 阻的系统设计人员往往会选择隔离式放大器,并继续使用 之前在基于HE传感器的设计中使用的ADC来限制信号链 中的电平变化。然而,如前所述,无论ADC性能如何,该性能都将受到隔离式放大器性能的限制。
而且进一步将隔离式放大器和ADC替换为隔离式∑-Δ调制 器可消除性能瓶颈,并大大改善设计,通常可将其从9到 10位的优质反馈提升到12位。此外,还可配置处理∑-Δ调 制器输出所需的数字滤波器,以实现快速OCP环路,从而 消除模拟过流保护(OCP)电路。因此,任何BOM分析不仅 应包括隔离式放大器、原始ADC、两者之间的信号调理, 而且还应包括可消除的OCP设备。AD701A隔离式∑-Δ调制 器基于ADI公司的iCoupler®技术,具有±250 mV(通常用于OCP 的±320 mV满量程)的差分输入范围,特别适合阻性分流器测 量,是扩大此趋势的理想产品选择。模拟调制器对模拟输 入持续取样,而输入信息则以数据流密度的形式包含在数 字输出流内,其数据速率最高可达20 MHz。通过适当的数 字滤波器(通常为适用于精密电流测量的Sinc3滤波器)可重 构原始信息。由于可在转换性能和带宽或滤波器群延迟之 间作出权衡,因此更简略、更快的滤波器能够以2 μs的数量 级提供快速OCP响应,非常适用于IGBT保护。
对缩小分流电阻尺寸的需求
从信号测量方面来看,目前的一些主要难题与选择分流电 阻有关,因为需要实现灵敏度和功耗之间的平衡。大阻值 将确保使用∑-Δ调制器的整个或尽量大的模拟输入范围, 从而获得最大的动态范围。但是,由于电阻会出现I2 × R的 损耗,因此,大阻值还会导致电压下降和效率降低。电阻自身的发热效应而导致的非线性情况也会是使用较大电阻 所面临的挑战。因此,系统设计人员面临着左右权衡取舍 以及进一步恶化的后果,他们往往需要选择一个适当大小 的分流电阻,以满足不同电流电平下各种型号和电机的需 求。如果面对数倍于电机额定电流的峰值电流,并需要可 靠捕获两者的值,则保持动态范围也是一个难题。控制系 统开机峰值电流的能力会因设计不同而有很大差异,从额 定电流以上浮动诸如30%的严格控制,到高达10倍于额定 电流的系数。加速以及负载或扭矩变化也会产生峰值电 流。但是,系统中的峰值电流通常处于驱动器设计额定电 流的4倍范围内。
面对这些难题,系统设计人员正在寻找具有更宽动态范围 或具有更高信噪比和信纳比(SINAD)的高性能∑-Δ调制器。 最新的隔离式∑-Δ调制器产品具有16位分辨率并可确保高 达12位有效位数(ENOB)的性能。
SINAD = (6.02 N + 1.76) dB,其中N = ENOB
顺应在低功耗驱动器中使用分流电阻的趋势,电机驱动器 制造商出于性能和成本方面的考虑,也在设法提高可利用 该拓扑的驱动器的额定功率。唯一可行的方法就是使用阻 值更小的分流电阻,而这需要引进性能更高的调制器内 核,以辨识减弱的信号幅度。
系统设计人员(尤其是伺服设计人员)仍在不断探索,试图 通过缩短模数转换时间,或者通过采用与隔离型∑-Δ调制 器和分流电阻拓扑有关的数字滤波器降低群延迟的方式提 高系统响应。如前所述,可在转换性能和带宽或滤波器群 延迟之间作出权衡。更简略、更快的滤波器可提供更快的 响应,但会降低性能。系统设计人员分析滤波器波长或抽 取比的效果,然后根据其终端应用需求作出权衡。提高调 制器的时钟速率会有所帮助,但是许多设计人员已实现在 AD7401A支持的20 MHz最高时钟速率下操作。提高时钟速 率的一个缺点就是辐射电位和干扰(EMI)效应。在相同的 时钟速率下,性能较高的调制器可改善群延迟与性能之间 存在的权衡关系,从而在性能影响较小的情况下实现更快 的响应时间。
业界性能最优的隔离式∑-Δ调制器
显然,通过缩小分流电阻的大小、改进无传感器控制方 案、实现对高效内部永磁电机(IPM)的控制,性能更高的 隔离式∑-Δ调制器可满足工业电机设计中的多种需求和发 展要求,并可提高电机驱动器的功效。ADI公司的AD7403 产品是AD7401A的新一代产品,可在相同的20 MHz外部时 钟速率下提供更宽的动态范围。这使设计人员可以更为灵 活地选择分流电阻大小,优化驱动器与电机的匹配,提高 额定电流与峰值电流的测量精度,减少适用于一系列电机 型号的单个分流电阻大小的影响,并能够在更高电流电平 下使用分流电阻替换HE传感器。此外,还可通过缩短测量 延迟提高动态响应。与上一代AD7400A和AD7401A相比, AD7403的隔离方案还可使用更高的连续工作电压(VIORM), 从而可通过使用更高的直流总线电压和更低的电机电流提 高系统效率。
包括ADSP-CM40x混合信号控制处理器的更广泛的系统解决方案
如前所述,实施∑-Δ调制器要求系统中配备数字滤波器。 通常可使用FPGA或数字ASIC实现。ADSP-CM408F混合信 号控制处理器(包含Sinc3滤波器硬件,可直接连接AD740x 系列的隔离式∑-Δ调制器)的出现有可能加快与隔离式∑-Δ 调制器耦合的阻性分流器电流检测技术的普及。如本文中 所述,由于会提高数字域系统的复杂度和相关的(FPGA)成 本,设计人员过去一直认为阻性分流器电流检测技术较为 昂贵。ADSP-CM408F是性价比较高的解决方案,可使许多 以往受限于成本目标的设计人员考虑使用该技术。