Σ-Δ调制器提高运动控制效率设计方案

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。变量的选择和所需的测量精度取决于终端应用需求、系统架构、目标系统成本或系统复杂度。还有其他考虑因素，例如状态监控等增值特性。据报道，电机占全球总能耗的40%，国际法规越来越注重全体工业运动应用的系统效率（参见图1）。

图1：工业驱动应用图谱

各种电机控制信号链拓扑中的电流和电压检测技术会因电机额定功率、系统性能要求和终端应用而有所差异。由于这个原因，不同的传感器选择、电流隔离要求、模数转换器选择、系统集成度和系统电源/接地划分，导致电机控制信号链实现方案也不相同。虽然隔离要求通常对最终电路拓扑和架构有着重要影响，但本文关注的重点是如何改善电流检测（作为一个影响因素）来实现更高效的电机控制系统。

电流和电压测量

图2所示为一个通用电机控制信号链。为实现高保真测量而进行的信号调理并非易事。相位电流检测尤其困难，因为该节点连接的电路节点与逆变器模块核心中的栅极驱动器输出的节点相同，因此在隔离电压和开关瞬变方面的需求也相同。

图2：通用电机控制信号链

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）。虽然分流电阻不具有隔离功能且会引起损耗，但它是所有传感器中最具线性、成本最低且同时适用于交流和直流测量的传感器。为限制分流电阻功率损耗的信号电平衰减通常将分流应用损耗限制为50 A或更低。电流互感器和霍尔效应传感器可提供固有的隔离，因此能够用于电流较高的系统，但它们的成本更高，并且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。与传感器类型不同，电机电流测量节点有很多选择，如图3所示，其中以直接同相绕组电流测量最为理想，可用于高性能系统。