新闻中心

EEPW首页 > 模拟技术 > 设计应用 > 基于EG4A20BG256和AD7403的电流采样电路设计

基于EG4A20BG256和AD7403的电流采样电路设计

作者:李绍军,陈国胜,吕国民 (北方信息控制研究院集团有限公司,南京 210000) 时间:2021-08-02 来源:电子产品世界 收藏
编者按:AD7403是一种Σ-Δ型模数转换器,广泛应用于需要电气隔离的伺服控制电机相电流采集场合。EG4A20BG256是一种国产FPGA,适用于伺服控制系统信号采集﹑接口扩展等应用场景。本文基于EG4A20BG256 FPGA设计了AD7403模数转换器接口电路,采集永磁同步电机相电流,并与伺服控制电路内霍尔电流传感器和DSP采样结果进行了对比。结果表明,EG4A20BG256 FPGA可以通过AD7403模数转换器实现对永磁同步电机相电流的准确采集。

作者简介:李绍军(1989—),男,硕士,工程师,研究方向为光电云台伺服。

本文引用地址:https://www.eepw.com.cn/article/202108/427286.htm

0   引言

电流环是控制系统速度环和位置环的基础,对控制系统实现快速响应﹑提高动态性能有重要的影响。电流环的实现依靠模数转换电路完成对电机相电流的采集,在很多电机驱动场合,出于降低干扰提高采样精度或是保证电路安全的考虑,需要在驱动电路和信号处理电路间有电气隔离,常见的隔离式电流采集电路有三种基本形式:霍尔电流传感器结合运算放大器﹑采样电阻结合隔离式运算放大器﹑采样电阻结合Σ-Δ型模数转换器 [1]。前两种方式一般需要结合电机驱动电路控制器(如)的ADC 外设进行处理,后者则需要通过 或具有Δ-Σ调制器的控制器进行处理。电流环会对采集到的电流进行一系列的数学运算处理,相比 串行运算结构, 的并行运算结构可减小电流环路延时,提高电流环带宽,进而提高速度环响应速度[2]。在需要过采样以及高于16 bit 分辨率的模数转换器的应用领域,Σ-Δ型模数转换器相比传统逐次逼近式模数转换器具有很大优势,应用也更为广泛[3]。文中通过国产 结合采样电阻以及Σ-Δ型模数转换器对相电流进行了采样,并同时采样了霍尔电流传感器结合运算放大器的结果,以便对采样结果进行分析对比。

1627891344741154.png

1   硬件设计

实验电路组成结构如图1 所示。 通过门极驱动电路与三相桥电路驱动永磁同步电机匀速转动,-8 为 的8 脚封装, 通过采集永磁同步电机电枢回路采样电阻端电压,输出数字码流给 FPGA 解码处理,处理结果发送给DSP;同时DSP 通过霍尔电流传感器采集永磁同步电机相电流,并经运算放大电路信号调理后通过其内部ADC 模块进行采集作为对比样本。

是安路科技推出的一款EAGLE 系列国产低成本FPGA,有19 600 个LUT 单元﹑ 156 800 kbit存储器﹑ 196 个用户I/O 口﹑ 4 个PLL ﹑还有1 个ADC模块和多个LVDS 接口,非常适合伺服控制应用领域[4] 是一款高性能数字隔离式模数转换器,内置二阶Σ-Δ型调制器,可以将模拟信号转换为高速单个位数据流,满输入量程为± 320 mV,可通过调整输入端采样电阻的大小实现采样电流量程的灵活调整。AD7403-8 采样电路如图2 所示。其两侧供电电源相互独立隔离,右侧3.3 V 电源与B0305T 隔离式电源转换器共用,左侧5 V 隔离电源由B0305 输出提供。左侧VIN+ 和VIN- 引脚通过差分滤波电路采集电机电枢回路采样电阻两端的端电压。AD7403-8 将采样电压转换为一组占空比与电压值相关的码流,接收EG4A20BG256 FPGA 提供的码流时钟,并将码流发送至FPGA 处理。

1627891364996932.png

图2 AD7403-8采样电路

2   软件设计

Σ-Δ型模数转换器工作的基本思想是采用高速﹑低位数(如1 位)的模数转换器来实现低速﹑高位数的模数转换器[5]。AD7403-8 内部通过二阶调制器将采样电压转换为对应的数字码流,为重构原始电压信息,EG4A20BG256 FPGA 需要使用sinc3 滤波器对该码流进行数字滤波和抽取处理。抽取率与模数转换器吞吐速率和输出数据位数相关,本次使用的码流滤波解码模块抽取率为256,AD7403-8 输入时钟设置为10 MHz,则其最大数据吞吐速率为:

1627891460724150.png

其中,fmclk 为模数转换器输入时钟,DR 为抽取率;

最大转换位数为:

1627891528879821.png

其中,N为sinc 滤波器阶数,此处取值为3,DR为抽取率;

此处仅取高16 bit 作为转换结果。上电后FPGA 启动码流滤波模块,由于需要和DSP 采样结果进行对比,FPGA 采样时刻需要与DSP 输出PWM 周期进行同步匹配,当到其PWM 周期时,将FPGA 采样触发信号置高并发送给FPGA;FPGA 启动延时直到延时时间到达后启动采样,保证FPGA 与DSP 在PWM 周期中心时刻同步进行采样;待滤波解码模块输出完成标志后,将采样结果通过串口发送至DSP。DSP 输出PWM 频率设置为10 kHz,当前AD7403-8 最大吞吐速率远高于PWM频率,可满足采样需求,FPGA 工作流程如图3 所示。

image.png

FPGA 开发环境为Anlogic TD 5.0.2 64-Bit,FPGA资源消耗情况如图4 所示。

image.png

图4 FPGA资源消耗

3   实验分析

在电机输入端给定电机固定电压,霍尔传感器经DSP 处理,AD7403-8 经FPGA 处理采样到的电机电枢电流,如图5 所示。

image.png

(a)0 A电流采样对比

image.png

(b)3.22 A电流采样对比

图5 固定电流采样对比

由AD7403 手册[6] 可知其输出单位码流占空比如表1 所示。

image.png

采样电阻端电压和输出码流占空比关系如式(3)所示:

1627891785297194.png

其中,x 为输入电压;y 为对应的占空比;

AD7403-8 输入端采样电阻为50 m Ω ,如图6 所示,AD7403-8 采样电流分别为0 A 和3.22 A,即输入端电压分别为0 mV 和161 mV,参见图6 的时钟和数据波形图。其中,通道1 为时钟波形,通道2 为数据波形。0 mV 时数据码流占空比为50%,161 mV 时数据码流占空比为75.16%,占空比符合式(3)。

驱动电机匀速转动,霍尔传感器经DSP 采集,AD7403-8 经FPGA 处理采集到的电机电枢电流如图7所示。

1627891849511277.png

(a)0 mV电压对应数据码流占空比

1627891878799706.png

(b)161 mV电压对应数据码流占空比

图6 固定电压数据码流占空比

image.png

图7 霍尔电流传感器和AD7403-8动态电流采集对比

通过两种方式对上述静态和动态电流采集情况对比可见,EG4A20BG256 FPGA 和AD7403-8 配合有助于获得更高精度和更低噪声的采样结果,提升电流环的性能。

4   结论

本文利用EG4A20BG256 FPGA 设计了重构AD7403-8模数转换器的输出码流的sinc3 滤波器,根据DSP 触发实时采样重构电流值,并通过串口发送给DSP 处理,实验验证了该设计的可行性,电流采样精度较高。

参考文献:

[1] ADI公司.Σ-Δ转换用于电机控制[EB/OL]. https://www.analog.com/cn/technical-articles/sigma-delta-conversionused-for-motor-control.html.

[2] 昌鹏,高瑾.基于FPGA的永磁同步电机电流环带宽拓展的比较研究[J].电机与控制应用, 2018, 48(1):89-93.

[3] 陈小梅.适用于Sigma-Delta ADC的512倍数字抽取滤波器的设计与研究[D].武汉:华中科技大学, 2016.

[4] 安路科技公司. EAGLE FPGA 器件概览[EB/OL]. http://www.anlogic.com/down_view.aspx?TypeId=25&Id=138&Fid=t14:25:14.

[5] 杨贵杰,崔乃政,周长攀.《电机数字控制系统集成设计》系列讲座(十三)第6章 基于MCU架构交流电机数字控制系统集成设计[J]. 伺服控制, 2013, 000(005):88-94.

[6] ADI公司. AD7403中文数据手册[EB/OL]. https://www.analog.com/cn/products/ad7403.html.

(本文来源于《电子产品世界》杂志2021年5月期)



评论


相关推荐

技术专区

关闭