隔离型Σ-Δ调制器技术在电机控制电流采样中的应用

作者 / 孙建军1 于克泳2 1.世健国际贸易(上海)有限公司(南京 210005)　　 2.亚德诺半导体技术(上海)有限公司(南京 210014 )

　　孙建军(1979-)，男，内蒙古人，硕士，世健国际贸易(上海)公司技术支持部经理，主要从事电机控制，仪器仪表，医疗电子等技术支持与研究。

摘要：Σ-Δ型模数转换器广泛用于需要高信号完整度，电气隔离的电机控制电流采样应用中，隔离型的Σ-Δ调制器通过过采样，数字滤波等将模拟量转换成单比特的数据流，同时可以满足5kVrms的隔离度，在高精度伺服电机电流采样驱动中发挥最佳性能。

0 引言

　　在数字化的伺服电机控制系统中，电流采样的精度和实时性很大程度上决定了系统的性能。精确的电流测量是提高系统控制精度、稳定性和响应速度的重要因素，同时也是实现高性能闭环控制系统的关键所在。

　　在传统的电流检测的方案中，最常见的是使用霍尔传感器，电流信号经过电磁转换，变为直流电压输出，通过模拟数字转换器(ADC)后，送到处理器(DSP)进行数据运算。但是，霍尔传感器的线性度一般比较差，受温度的影响比较大，而且封装也比较大，这使得霍尔传感器方案限制了电流测量精度的进一步提高。

　　近年来，出现了一些新型的电流检测方案^[1]。利用采样电阻，把电流转换为电压，利用数字调制技术把模拟量转换为数字码流，然后再通过数字隔离技术实现数字码流的电气隔离。代表性的如AVAGO公司的HCPL-786X和ADI公司的AD740x系列产品就是电阻分流器和Σ-Δ型调制器结合典型的代表。 如图1 AD740x隔离式电流反馈系统的框图所示，Σ-Δ型调制器产生与输入电压成函数关系的调制位流，然后将信号越过隔离栅传输至低压侧的滤波器电路。SINC滤波器过滤来自二阶调制器AD740x的位流，以便恢复表示电机绕组电流的16位数字信号。

1 隔离型的Σ-Δ调制器介绍

　　Σ-Δ(Sigma-Delta)调制器(Modulator) ^[2]，顾名思义，是指将高速CMOS工艺和iCoupler®数字隔离技术结合在一起的特色产品，能将模拟输入信号转换为20 Mbps的1-b码流输出。模拟调制器对模拟输入信号连续采样，因而无需外部采样保持电路。集成有片上基准源，具有16b无失码的性能，失调漂移典型值一般在2 µV/℃左右。隔离型的Σ-Δ调制器较之前传统的光耦合器等其他元件来说，能提供更加优异的性能，更可以满足5 KVrms的隔离度。

　　Σ-Δ(Sigma-Delta)调制器可以将模拟输入信号转换为单比特的数据流，一阶Σ-Δ调制器的框图如图2所示。Σ-Δ调制器虽然只使用1 b的量化比较器，由于采用了过采样和噪声整形技术，所以依然能达到较高的精度^[3]。

　　模拟Σ-Δ调制器对输入信号连续采样，因此无需外部的采样保持电路，输入信息包含在数据率为20 Mbps的输出码流中，后续设计适当的数字滤波器，就可以重构原始信息。虽然输入信号的所有信息都由1 b的数据流来表示，但这种对1 b数据流进行信号处理将会带来很多方便，它减少了互连线，更避免了多路数据线传输时的延迟不一致及干扰，这使得电路结构简单容易，节省电路成本并提高电路的处理速度。

　　在电机控制应用中，需要特别注意失调和增益误差的温度漂移，Σ-Δ ADC的失调和增益误差可增加系统误差，如电机的扭矩纹波。因为这对系统稳定性的影响很大。很多用于电机控制应用的电流测量系统都会集成温度传感 器来监视异常情况，可以使用此温度信息来执行失调和增益误差漂移补偿，以降低隔离型的Σ-Δ调制器数据手册中指定的漂移数据，分别可将失调误差漂移和增益误差漂移降低30%和90%^[4]。

2 数字滤波

　　传统的过采样技术，采用远高于奈奎斯特(Nyquist)频率的时钟对输入信号进行采样，使得量化噪声的功率分布在更宽的频带内，这样就减少了信号频带内的噪声。但Σ-Δ调制器(Modulator)利用噪声整形(Noise Shaping)技术将量化噪声搬移到高频段，因此，在后续的数字处理中，必须将高频噪声滤除后才能真正提高ADC的性能，所以数字抽取滤波器的性能在整个Σ-Δ(Sigma-Delta)ADC中起着至关重要的作用。图3说明了传统的过采样技术和Σ-Δ ADC的不同之处。流程A描述的是奈奎斯特采样时的噪声分布;流程B描述的是传统的过采样及噪声分布;流程C是Σ-Δ过采样及噪声分布。

　　在Σ-Δ ADC的数字滤波器中，一种称为Sinck的数字滤波器是常用的解决方案^[5]，在信号处理领域，Sinc滤波器是一种有效滤除高频噪声而只保留低频信号的理想滤波器。在频域它的形状像一个矩形函数，在时域它的形状像一个Sinc函数。Sinck滤波器的传递函数及频域响应如图4所示。

　　当k的取值不同时，表现为不同的滤波器，图5中列出了三种不同阶数的Sinck滤波器以及在不同OSR(Over Sampling Rate过采样率)下得到的ENOB(有效位数)，可以看出，在同等的OSR下，Sinc3滤波器得到ENOB最高，而Sinc滤波器得到的有效位数最低。

3 Σ-Δ调制器在多路电流采样电路中的设计

　　在多路电流采样设计中，往往有多个采样电阻，多个隔离型的Σ-Δ调制器器件。采样电阻将电流信号转换为电压信号，其两端的电压输入给隔离型的Σ-Δ调制器，差分电压信号经过调制、隔离后输出的码流送给FPGA，FPGA内部进行Sinc3数字滤波及解码后得到输入端的电流数值。为了与CPU处理器能方便地通讯，FPGA中还需要设计对应的接口。

　　在电路采样设计中，需要选用精确度高、温漂小的采样电阻为才能实现精确测量的目的，普通的采样电阻会影响采样的准确性，而且采样电阻的取值还需要考虑最小功率损耗和最大准确性的折中点，因此设计中需要仔细考虑。

　　考虑到工作时钟同步问题，建议隔离型的Σ-Δ调制器是外置时钟Clock，在多片的应用中就有多个Clock时钟，图6以两片隔离型的Σ-Δ调制器为例描述。

　　本文以AD740x为例，分别输入正弦波和方波信号，在RC端和FPGA输出测试到的输出的信号波形如下，分别对应CH1, CH2, CH3如图7所示。

　　采用Σ-Δ ADC，用户可以自由选择Sinc滤波器延迟或输出数据保真度，抽取率较高时，延迟较长，但信号质量较高;抽取率较低时则相反。 这种灵活性对于电机控制算法设计十分有利。 利用Σ-Δ ADC和Sinc滤波器对PWM信号的脉冲响应正确对齐，来测量三相电机电流而不会有混叠效应, 以及如何定位Sinc滤波器零点以帮助消除电流反馈中的开关噪声，详细可以参考文献[6]。

4 总结

　　综上所述，相比于霍尔电流传感器采样电流，隔离型Σ-Δ调制器能直接将模拟量转化为数字量输出，省去模拟隔离时所需要ADC转换器。同时隔离型的Σ-Δ调制器在应用中可靠性高，抗干扰能力强，并具有较高的精度，因此它是非常适合在精确伺服电机控制中电流采样的解决方案。同时也需要在FPGA中设计多个Sinc3数字滤波器。设计印刷电路板(PCB)布局时应特别小心，必须符合相关辐射标准，详细可以参阅应用笔记^[7]。

　　参考文献：

　　[1]罗 映, 万超 伺服电机控制系统中电流采样三种方案的比较, 电子元器件应用，2007.1

　　[2]AD740x datasheet. 16-Bit, Isolated Sigma-Delta Modulator, Analog Device Inc.

　　[3]AN-283，Σ-Δ型ADC和DAC, ADI公司

　　[4] AN1377: AD7403/AD7405的增益和失调温度漂移补偿

　　[5]AN-1265: 使用ADSP-CM402F/ADSP-CM403F/ADSP-CM407F/ADSP-CM408F SINC 滤波器和AD7401A实现隔离式电机控制反馈, ADI 公司

　　[6]Jens Sorensen Σ-Δ转换用于电机控制, ADI 公司

　　[7]AN-0971, isoPower器件的辐射控制建议, ADI 公司

　　本文来源于《电子产品世界》2018年第12期第56页，欢迎您写论文时引用，并注明出处。