作者： TI 工程師Jimmy Zhou & Frank Xiao

伺服控制系統(tǒng)廣泛的應(yīng)用在工業(yè)機(jī)器人、數(shù)控機(jī)床、電子制造、印刷機(jī)械、紡織機(jī)械等領(lǐng)域，在工業(yè)生產(chǎn)中發(fā)揮重要的作用。在工業(yè)機(jī)器人和數(shù)控機(jī)床等領(lǐng)域，響應(yīng)速度快、轉(zhuǎn)矩抖動(dòng)小和精度高的伺服控制系統(tǒng)越來越關(guān)鍵。伺服控制系統(tǒng)的由位置環(huán)、速度環(huán)和電流環(huán)組成，電流環(huán)是內(nèi)環(huán)，電流環(huán)的性能決定了整個(gè)控制系統(tǒng)的精度和響應(yīng)速度。

一個(gè)影響電流環(huán)性能的因素是電流采樣方式，目前主流的電流采樣方式包括霍爾電流采樣、隔離運(yùn)放電流采樣和隔離Δ-Σ 調(diào)制器電流采樣。TI的隔離Δ-Σ 調(diào)制器 AMC1305的精度高、絕緣等級(jí)高和抗干擾性能強(qiáng)，廣泛的應(yīng)用在工業(yè)伺服、變頻器和太陽能逆變器等領(lǐng)域。

AMC1305的電流采樣方式如圖1所示，AMC1305將電流信息轉(zhuǎn)換為單線的數(shù)據(jù)流，該數(shù)據(jù)流通過DSP等控制芯片中的濾波器模塊，還原得到電流信息。相比于前兩種電流采樣方式，隔離Δ-Σ 調(diào)制器用于電流采樣，具有精度高和抗干擾能力強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)。但是，隔離Δ-Σ 調(diào)制器的電流采樣方式的帶寬低，響應(yīng)速度慢，當(dāng)電機(jī)過載或短路時(shí)，需要較長(zhǎng)的時(shí)間才能反映在電流數(shù)字量上，有可能會(huì)造成保護(hù)失效。

圖1：AMC1305的電流采樣示意圖

為了提升AMC1305電流的采樣方式的性能，兼顧電流環(huán)控制和過流保護(hù)功能，可以在DSP等控制器中，設(shè)置兩組數(shù)字濾波器（見圖2），一組具有較低的帶寬和較高的精度，用于內(nèi)部電流環(huán)控制；另外一組，具有較高的帶寬和較低的精度，用于過流保護(hù)。

圖2：一種兼顧電流環(huán)控制和過流保護(hù)功能的電流采樣濾波器的方式

使用AMC1305的電流采樣方式，通常采用Sinc3 濾波器提取電流信息，Sinc3濾波器的過采樣率（Over Sample Rate，OSR）決定了電流采樣的精度和帶寬（見圖3）。采用同樣的濾波器結(jié)構(gòu)，OSR和濾波器頻率響應(yīng)如圖3 （a）所示，OSR越大，帶寬越低。同樣的濾波器結(jié)構(gòu)下，不同OSR下的有效位數(shù)（ENOB）如圖3（b）所示，OSR越大，ENOB越大。

圖3：Sinc3濾波器的OSR、帶寬和有效位關(guān)系

AMC1305用于電流采樣時(shí)，采用Sinc3濾波器，不同的OSR，電流采樣的帶寬和ENOB如表1所示。

表1：Sinc3濾波器的OSR、帶寬和有效位關(guān)系

通過以上分析，電流環(huán)對(duì)精度要求高，Sinc3濾波器的OSR設(shè)置為128或256，ENOB大于13位；過流保護(hù)功能對(duì)快速性要求高，Sinc3濾波器的OSR設(shè)置為8或16，響應(yīng)帶寬大于330kHz。

本文提出一種改進(jìn)的隔離Δ-Σ 調(diào)制器電流采樣方式的方案，該方案有以下優(yōu)點(diǎn)：

在滿足了電流環(huán)控制的高精度要求時(shí)，滿足了過流保護(hù)的快速性要求；

實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，無需改動(dòng)外部電路

審核編輯：何安