電力電子與電力傳動(dòng)專(zhuān)業(yè)碩士研究生，一個(gè)從事了20多年的功率控制的工程小兵，有多年的電機(jī)驅(qū)動(dòng)和電源控制經(jīng)驗(yàn)，專(zhuān)注電力電子控制方向。

電機(jī)控制中電流采樣

電流采樣是控制系統(tǒng)的主反饋，對(duì)精度、響應(yīng)速度、同步性都有要求。

電流采樣需要直接測(cè)量主回路功率器件部位，常用的電流傳感器為分流電阻、霍爾效應(yīng)(HE)傳感器以及電流互感器(CT)。

CT傳感器和HE傳感器可提供固有的隔離,但是它們的成本更高,并且采用此類(lèi)傳感器的解決方案在精度上不及采用分流電阻的解決方案。

Σ-Δ隔離采樣是將分流電阻電壓轉(zhuǎn)換為調(diào)制脈沖信號(hào)，采用數(shù)字隔離方式實(shí)現(xiàn)采樣與隔離。

Σ-Δ電流采樣優(yōu)點(diǎn)

容易實(shí)現(xiàn)模擬隔離采樣：

主回路的開(kāi)關(guān)噪聲對(duì)控制電路干擾大，會(huì)影響系統(tǒng)穩(wěn)定性和控制精度，隔離Σ-Δ采樣可以實(shí)現(xiàn)控制與主回路隔離。

隔離Σ-Δ轉(zhuǎn)換器是采用脈沖輸出方式傳輸信號(hào)，通過(guò)數(shù)字隔離芯片的原理實(shí)現(xiàn)隔離，較模擬隔離成本低而且失真小。

Σ-Δ轉(zhuǎn)換器是采用積分（累加）方式轉(zhuǎn)換模擬信號(hào)，對(duì)開(kāi)關(guān)噪聲干擾抑制有天然優(yōu)勢(shì)。

屬于外置模數(shù)轉(zhuǎn)換，較MCU集成ADC結(jié)構(gòu)，不受MCU芯片中數(shù)字部分信號(hào)干擾，AD轉(zhuǎn)換結(jié)果更加穩(wěn)定準(zhǔn)確。

Σ-Δ轉(zhuǎn)換器已經(jīng)實(shí)現(xiàn)國(guó)產(chǎn)化，成本價(jià)格大幅下降。

Σ-Δ工作原理

1-bit DAC的輸出只有兩種電壓，取決于給它提供的電壓基準(zhǔn)Vref+和Vref-：

輸入為0，輸出為Vref-

輸入為1，輸出為Vref+

sigma-delta調(diào)制的運(yùn)算過(guò)程：

輸入與1-bit DAC相減，得到誤差

對(duì)誤差積分

積分結(jié)果與0比較，輸出調(diào)制信號(hào)

同時(shí)，調(diào)制信號(hào)再通過(guò)1-bit DAC反饋到輸入側(cè)，與輸入相減

Σ-Δ特性

Σ-Δ轉(zhuǎn)換器是1位采樣系統(tǒng)，轉(zhuǎn)換器對(duì)其進(jìn)行多次采樣，這種技術(shù)稱(chēng)為過(guò)采樣。采樣率比輸出端口的數(shù)字結(jié)果快數(shù)百倍。

Σ-Δ轉(zhuǎn)換器有兩個(gè)數(shù)字接口：MDAT串行數(shù)據(jù)輸出、MCLK主機(jī)時(shí)鐘邏輯輸入或輸出。

Σ-Δ濾波器常用的模式有以下三種：SINC2、SINC3、SINCfast。SINC2、SINC3多用于電流采樣；SINCfast在3-5bit ENOB建立時(shí)間最短，更適合過(guò)流或短路保護(hù)。

如何實(shí)現(xiàn)

？

01

SDM信號(hào)接收單元

SDM 模塊包含了 4 個(gè)彼此獨(dú)立的濾波器環(huán)節(jié)，可以同時(shí)對(duì)4 路的∑Δ信號(hào)進(jìn)行解碼。

每一個(gè)通道含有獨(dú)立、可配置的第一濾波器 (PCM_CIC 數(shù)據(jù)濾波器) 單元。支持Sinc1 /Sinc2 /SincFast /Sinc3四種模式，OSR在 1–256 之間。

每一個(gè)通道含有獨(dú)立、可配置的第二濾波器 (AMP_CIC+ 比較器) 單元?？赏瑫r(shí)監(jiān)測(cè)：高門(mén)限越界、低門(mén)限越界、過(guò)零門(mén)限這三種事件。這些監(jiān)測(cè)信號(hào)可連接至互聯(lián)管理器后可以用來(lái)產(chǎn)生推動(dòng)后繼的相應(yīng)控制邏輯。過(guò)采樣率（OSR）可在 1–32 之間配置。

02

PCM_CIC 數(shù)據(jù)濾波器配置

Σ-Δ轉(zhuǎn)換器的MCLK可以由clock_ref功能由引腳從內(nèi)部PLL直接分配輸出。時(shí)鐘精度更高，抖動(dòng)更小。

MCLK、MDAT需要設(shè)置為雙時(shí)鐘同步后再使用，否則容易產(chǎn)生數(shù)據(jù)錯(cuò)誤故障報(bào)警。在sdm_get_default_module_control（）已經(jīng)配置完成。

采樣模式根據(jù)Σ-Δ轉(zhuǎn)換器配置即可，一般是下降沿。

03

PCM_CIC 數(shù)據(jù)濾波器配置

Σ-Δ濾波器可以選擇連續(xù)采樣，連續(xù)采樣不建議使用FIFO；也可以選擇同步采樣，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)通路的數(shù)據(jù)采樣與外部事件（PWM同步） 實(shí)現(xiàn)電流采樣與PWM相位同步，同時(shí)減少中斷對(duì)CPU時(shí)間的占用。

當(dāng)同步采樣時(shí)，置位CH[x][SDCTRLP[FFSYNCCLREN]]，新的觸發(fā)事件會(huì)自動(dòng)清除 FIFO 內(nèi)容。

下圖為同步使能時(shí)的配置

04

AMP_CIC幅值通路配置

幅值通路是用來(lái)監(jiān)控的輸入并快速響應(yīng)，實(shí)現(xiàn)過(guò)流保護(hù)。

幅值通路沒(méi)有同步事件控制， 同時(shí)支持Sinc1、Sinc2、Sinc3、和 SincFast 類(lèi)型。

幅值通道 Sinc 濾波器輸出的幅值信號(hào)可直接實(shí)時(shí)地從 CH[x][SCAMP] 讀出，沒(méi)有FIFO 作為緩存。

下圖是上限保護(hù)配置，閾值是中間位（128）+0.7*最大幅值。

05

中斷處理

幅值通路和數(shù)據(jù)通路是共用一個(gè)中斷源，需要通過(guò)標(biāo)志位確認(rèn)中斷產(chǎn)生原因。

06

與PWM互聯(lián)

SDM與PWM互聯(lián)可以實(shí)現(xiàn)以下功能：采樣同步、故障輸出保護(hù)。

采樣同步的同步觸發(fā)源是CH[SDCTRLP].SYNCSEL是互聯(lián)管理器輸出中的SDM_TRG0-15序列，即trig_mux0觸發(fā)0-3，trig_mux1觸發(fā)4-7，trig_mux2觸發(fā)8-11，trig_mux3觸發(fā)12-15。

故障輸出可以根據(jù)需要配置高低限報(bào)警。

總 結(jié)

Σ-Δ濾波對(duì)PWM產(chǎn)生的干擾有更好的抑制作用，便捷實(shí)現(xiàn)高低壓隔離，外置采樣電路具有更高的精度。

相較于FPGA的Σ-Δ接口，HPM6200中的SDM模塊具更多的濾波器模式選擇，支持Sinc1、Sinc2、SincFast、Sinc3多種模式；SDM模塊不僅支持連續(xù)采樣模式，同時(shí)可與內(nèi)部PWM相位的準(zhǔn)確同步，令電流控制更準(zhǔn)確，更改PWM載波頻率更方便。

HPM6200為高算力MCU，SDM模塊的采樣頻率可達(dá)200Mhz，MCLK最高可以設(shè)置到20Mhz（Manchester 模式除外），在確保采樣精度的前提下可以更短的時(shí)間內(nèi)完成轉(zhuǎn)換。

HPM6200中的SDM包含幅值模塊，集成了過(guò)流保護(hù)功能，降低控制成本，優(yōu)化控制電路面積。

審核編輯：湯梓紅