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測試與測量  

工業馬達控制和功率轉換器應用中的高精密度測量

上網時間: 2004年12月15日     打印版  Bookmark and Share  字型大小:  

關鍵字:Texas Instruments Inc.  industrial motor control  power converter  ADC  current measurement 

在工業馬達控制應用的電流測量中,兩種廣泛使用的感應器分別是分流電阻和閉環霍爾效應感應器,電流測量的主要困難在於設計一系列覆蓋這些應用類型的類比數位轉換器。本文分析了測量類比訊號的要求,給出了提高測量性能的實例和一個應用電路。

現代工業應用對控制單元的精密度要求越來越高。系統和應用的品質與控制單元精確測量輸入類比訊號的能力直接相關。為了實現這一精確性,必須採用高精密度的類比數位轉換器(ADC)。不過,這類轉換器通常會增加控制電路的成本。

功率轉換器和馬達控制系統測量的兩種主要訊號類型為輸出變換器電流(或馬達相電流)和直流迴路電壓。這些訊號的測量品質決定了系統的整體性能。

德州儀器公司Burr-Brown產品組推出的新型高精密度ADS120x系列Δ-Σ轉換器就是專門為這些應用而開發的。同時,它們仍然使整個電路的成本保持在較低水準。

ADS1202和ADS1203是二階的10MHz△Σ調變器,直接與分流電阻連接並測量馬達電流,對中小功率變換器的測量精密度可達16位元。另一方面,對於中高功率變換器,則使用閉環霍爾效應感應器。三個這種感應器可以直接與新的ADS1204△Σ調變器進行介面,ADS1204是採用與ADS1203相同的結構設計。靈活的介面和用戶定義的輸出濾波器使這些元件擁有很寬的應用範圍。本文分析了測量上述類比訊號的要求,文中除幾個性能實例之外,還給出了一個應用電路。

伺服馬達控制

一個典型的產業馬達控制應用實例就是伺服控制。

圖1是一個實用的伺服控制電路,它同時實現了3個控制迴路。外部迴路是位置控制迴路,它將編碼器(解析器)提供的實際位置訊號與參考位置訊號進行比較。位置控制迴路的輸出是參考速度,它被用來與從同一實際位置訊號導出的實際速度訊號進行比較。速度控制迴路的輸出是參考馬達電流,這個參考電流然後被用來與實際的馬達電流進行比較並輸入到電流控制迴路,電流控制迴路的輸出結果就是功率轉換器的實際PWM控制訊號。

由於電流控制迴路是電路中實現的最後一個控制,因此它也是最為關鍵的部份,其精密度和速度將直接決定系統的品質。伺服控制系統目前的要求是12位元精密度、500us的響應時間,或者說電流控制迴路的頻寬為2kHz,這就要求馬達電流測量達到12∼14位元的類比數位轉換解析度,-3dB頻響為20kHz。改善伺服驅動性能的最好方法是改進電流控制迴路。未來的驅動指標是14位元精密度和4kHz頻寬,要實現這個目標,電流測量必須實現14∼16位元的類比數位轉換解析度和40kHz的-3dB頻率響應。

電流測量

在工業馬達控制應用的電流測量中,兩種廣泛使用的感應器分別是分流電阻和閉環霍爾效應感應器。這兩種感應器各有優缺點。當馬達電流在70A以內時,可使用分流電阻;當馬達電流超過70A時,最好使用閉環霍爾效應感應器。這兩種感應器的測量訊號也不相同。分流電阻產生的最大訊號是±250mV,而霍爾效應感應器則根據其類型的不同可產生±5V或0∼5V的輸出訊號。另一個主要的差別在於分流電阻訊號不是電隔離的,而霍爾效應感應器訊號則是電隔離的。

電流測量中的主要困難在於設計一系列覆蓋這些應用類型的類比數位轉換器。使用分流電阻時,對類比數位轉換器的要求是輸入訊號在±250mV以內,並便於輸出訊號實現電隔離;而使用霍爾效應感應器時,對類比數位轉換器的要求則是輸入訊號在0∼5V之間,並允許多個類比數位轉換器並聯使用。同時,兩種應用中類比數位轉換器輸出訊號的格式還必須一致,因而使得同一控制板可以應用在轉換器的不同額定輸出功率之下。ADS1202和ADS1203是二階10MHz△Σ調變器,用於直接與分流電阻介面。霍爾效應感應器能直接與ADS1204調變器介面,ADS1204和ADS1203結構相同。圖2是使用這些元件測量馬達電流的實例。

使用分流電阻進行測量

在元件設計中,最大的挑戰是設計一個使用分流電阻進行測量的類比數位轉換器,主要需要解決小訊號、低功耗、簡單電隔離等問題。

由於類比數位轉換器需要獨立的電隔離,因此需要在不降低性能的前提下實現低功耗。ADS1202、ADS1203通常需要5V、6mA的電源,電源電壓範圍為4.5V到5.5V,因此可以採用低成本解決方案。同時,轉換器具有80dB的良好電源抑制比,電源中的任何紋波都將被抑制。

類比數位轉換器需要實現的最大輸入範圍是±320mV,為了獲取最佳的性能,測量訊號應在±250mV以內。在這個範圍內,能夠取得良好的測量結果,同時也不會使得分流電阻過熱。

這些類比數位轉換器的另一個優點是其輸入為完全差分訊號。當分流電阻在實體上不可能緊鄰類比數位轉換器時,訊號線上可能出現噪音。差分訊號的另一個優點是任何導入的、不需要的噪音都以共模形式存在,很容易被類比數位轉換器過濾掉。ADS1202、ADS1203都具有良好的共扼抑制比(在90dB的範圍之內)。

ADS1202、ADS1203的核心是具有參考電壓和時脈振盪器的2階△Σ調變器。這個高精密度的調變器使得用戶能夠獲得14位元的線性度,1%的最大增益誤差。同時,對於5kHz的輸入訊號,交流訊息噪音比可達85dB,THD達95dB,ADS1202性能略低,適合用來實現12位元精密度的測量。該△Σ調變器的採樣頻率是10MHz,為片上振盪器頻率的一半。

這兩種元件介面方式靈活,允許4種不同的作業模式。基本模式提供時脈訊號和同步數據訊號。在這種模式下,類比數位轉換器的輸出訊號採樣在時脈的上升沿進行(Mode0)或者在上升沿和下降沿都進行(Mode1)。一個片上自帶的曼徹斯特編碼函數允許將這兩個訊號組合成1個訊號(Mode2)。在這個模式下,只有1個訊號需要電隔離。當需要平行作業多個類比數位轉換器,或需要低的採樣頻率時,可以使用外部時脈(Mode3)。在輸出精密度減少的情況下,時脈範圍為1∼32MHz。

為了保證成本低廉,在電流測量應用中保證外部零組件數量最少是至關重要的。基於這個原因,ADS1202、ADS1203片內具有2個輸出驅動器。這兩個驅動器,一個用於時脈訊號,一個用於數據訊號,每個驅動器都能收發20mA訊號。這一特點將滿足大多數光電耦合器的需要。它也可以使訊號能夠以正邏輯或者負邏輯方式傳輸,使得介面更加靈活。圖3是一個應用實例。

使用霍爾效應感應器進行測量

ADS1204是為使用霍爾效應感應器的電流測量應用而開發的。它具有四個獨立的2階△Σ調變器和四個獨立的輸入參考電壓緩衝記憶體器。這些緩衝記憶體器能夠連接到高性能、片上電壓參考或外部電壓源上。所有四個調變器共用同一個時脈源,時脈源可以是片上20MHz振盪器,也可以是外部時脈源。輸出數據格式和ADS1202、ADS1203輸出數據格式相容。

ADS1204能夠同時測量3相電流和1路輔助訊號,如直流迴路電壓或溫度。獨立的輸入參考電壓緩衝記憶體器允許訊號源感應器和調變器連接到同一個電壓源,因而使匹配增益誤差達到最小。

VACUUM SCHMELZE公司、具有新型控制電路和VITROVAC場探針的新型高精密度閉環電流感應器或者LEM公司的LTSR電流感應器,其特點是輸出訊號為+0.5V到+4.5V,非常適合ADS1204的輸入範圍,其滿量程範圍是0∼5V,但在0.5V∼+4.5V範圍性能最好,推薦在這個範圍內使用。應用實例如圖4所示。

用於電流測量的數位濾波器

ADS120x △Σ調變器輸出是一個10MHz的位元流,為了獲取有用資訊,需要對這個訊號進行濾波和過採樣。將過採樣濾波器劃分為兩部份可獲得最好的結果。第一級濾波器是一個64點過採樣的3階Sinc函數濾波器,它將產生16位元的數據字,數據刷新率為156kHz,其-3dB頻響為40kHz。這個濾波器很容易用FPGA或ASIC電路來實現。第2級濾波器根據實際需要可以是FIR或IIR濾波器,這個濾波器可以用TI公司的C28xx DSP來實現,它通常具有2∼8點過採樣,數據更新速率在20kHz∼80kHz之間,圖5是一個採用相應數位濾波器實現的單通道電流測量實例。

本文小結

比起大多數典型解決方案來,ADS120x二階10MHz△Σ調變器能提供更高的精密度,並方便與馬達控制和功率轉換器介面。此外,這些調變器並沒有大幅度增加系統成本。對於多通道應用,需要將在ASIC或FPGA中實現的數位濾波器在每一個通道中拷貝和實現,由於能使數位濾波器和訊號處理實現個性化設計,使得這元件具有很大的靈活性,絲毫不降低性能就能適合很多應用。

作者:Miroslav Oljaca


數據採集產品事業部


德州儀器公司





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