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适用于工业运动控制的测量技术奢侈品市场和消费

发布时间:2020-02-25 08:29:31 编辑:笔名

适用于工业运动控制的丈量技术

与隔离式-调制器耦合的分流电阻可提供最优良的电流反馈,其中,电流电平足够低,完全可满足分流需求。目前,系统设计人员的明显倾向于从HE传感器转换至分流电阻,并且与隔离式放大器方案相比,设计人员还倾向于采取隔离式调制器方案。仅仅更换传感器本身就可下降物料清单(BOM)和PCB装配成本并提高传感器的精度。分流电阻对磁场或机械振动均不敏感。将HE传感器替换为分流电阻的系统设计人员常常会选择隔离式放大器,并继续使用之前在基于HE传感器的设计中使用的ADC来限制信号链中的电平变化。但是,如前所述,不管ADC性能如何,该性能都将遭到隔离式放大器性能的限制。

而且进一步将隔离式放大器和ADC替换为隔离式-调制器可消除性能瓶颈,并大大改善设计,通常可将其从9到10位的优良反馈提升到12位。此外,还可配置处理-调制器输出所需的数字滤波器,以实现快速OCP环路,从而消除模拟过流保护(OCP)电路。因此,任何BOM分析不但应包括隔离式放大器、原始ADC、二者之间的信号调理,而且还应包括可消除的OCP装备。AD701A隔离式-调制器基于ADI公司的iCoupler技术,具有±250 mV(通常用于OCP的±320 mV满量程)的差分输入范围,特别适合阻性分流器丈量,是扩大此趋势的理想产品选择。摹拟调制器对摹拟输入延续取样,而输入信息则以数据流密度的情势包括在数字输出流内,其数据速率最高可达20 MHz。通过适当的数字滤波器(通常为适用于精密电流丈量的Sinc3滤波器)可重构原始信息。由于可在转换性能和带宽或滤波器群延迟之间作出权衡,因此更简略、更快的滤波器能够以2μs的数量级提供快速OCP响应,非常适用于IGBT保护。

对缩小分流电阻尺寸的需求

从信号丈量方面来看,目前的一些主要困难与选择分流电阻有关,由于需要实现灵敏度和功耗之间的平衡。大阻值将确保使用调制器的全部或尽量大的摹拟输入范围,从而获得最大的动态范围。但是,由于电阻会出现I2× R的损耗,因此,大阻值还会导致电压下降和效率下降。电阻本身的发热效应而导致的非线性情况也会是使用较大电阻所面临的挑战。因此,系统设计人员面临着左右权衡取舍和进一步恶化的后果,他们常常需要选择一个适当大小的分流电阻,以满足不同电流电平下各种型号和机电的需求。如果面对数倍于电机额定电流的峰值电流,并需要可靠捕获两者的值,则保持动态范围也是一个难题。控制系统开机峰值电流的能力会因设计不同而有很大差异,从额定电流以上浮动诸如30%的严格控制,到高达10倍于额定电流的系数。加速和负载或扭矩变化也会产生峰值电流。但是,系统中的峰值电流通常处于驱动器设计额定电流的4倍范围内。

面对这些困难,系统设计人员正在寻觅具有更宽动态范围或具有更高信噪比和信纳比(SINAD)的高性能-调制器。最新的隔离式-调制器产品具有16位分辨率并可确保高达12位有效位数(ENOB)的性能。

SINAD = (6.02 N + 1.76) dB,其中N = ENOB

顺应在低功耗驱动器中使用分流电阻的趋势,机电驱动器制造商出于性能和本钱方面的考虑,也在设法提高可利用该拓扑的驱动器的额定功率。唯一可行的方法就是使用阻值更小的分流电阻,而这需要引进性能更高的调制器内核,以辨识减弱的信号幅度。

系统设计人员(尤其是伺服设计人员)仍在不断探索,试图通过缩短模数转换时间,或者通过采取与隔离型-调制器和分流电阻拓扑有关的数字滤波器下降群延迟的方式提高系统响应。如前所述,可在转换性能和带宽或滤波器群延迟之间作出权衡。更简略、更快的滤波器可提供更快的响应,但会降低性能。系统设计人员分析滤波器波长或抽取比的效果,然后根据其终端运用需求作出权衡。提高调制器的时钟速率会有所帮助,但是许多设计人员已实现在AD7401A支持的20 MHz最高时钟速率下操作。提高时钟速率的一个缺点就是辐射电位和干扰(EMI)效应。在相同的时钟速率下,性能较高的调制器可改良群延迟与性能之间存在的权衡关系,从而在性能影响较小的情况下实现更快的响应时间。

业界性能最优的隔离式-调制器

明显,通过缩小分流电阻的大小、改进无传感器控制方案、实现对高效内部永磁机电(IPM)的控制,性能更高的隔离式-调制器可满足工业机电设计中的多种需求和发展要求,并可提高机电驱动器的功效。ADI公司的AD7403产品是AD7401A的新一代产品,可在相同的20 MHz外部时钟速率下提供更宽的动态范围。这使设计人员可以更加灵活地选择分流电阻大小,优化驱动器与电机的匹配,提高额定电流与峰值电流的丈量精度,减少适用于一系列电机型号的单个分流电阻大小的影响,并能够在更高电流电平下使用分流电阻替换HE传感器。此外,还可通过缩短测量延迟提高动态响应。与上一代AD7400A和AD7401A相比,AD7403的隔离方案还可使用更高的连续工作电压(VIORM),从而可通过使用更高的直流总线电压和更低的机电电流提高系统效率。

包括ADSP-CM40x混合信号控制处理器的更广泛的系统解决方案

如前所述,实行-调制器要求系统中配备数字滤波器。通常可使用FPGA或数字ASIC实现。ADSP-CM408F混合信号控制处理器(包括Sinc3滤波器硬件,可直接连接AD740x系列的隔离式-调制器)的出现有可能加快与隔离式-调制器耦合的阻性分流器电流检测技术的普及。如本文中所述,由于会提高数字域系统的复杂度和相干的(FPGA)成本,设计人员过去一直认为阻性分流器电流检测技术较为昂贵。ADSP-CM408F是性价比较高的解决方案,可使许多以往受限于成本目标的设计人员考虑使用该技术。

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