采用iCoupler技術(shù)的電機(jī)控制隔離方案

機(jī)器人應(yīng)用需要對(duì)驅(qū)動(dòng)許多機(jī)器接合點(diǎn)的電機(jī)進(jìn)行精確控制。 控制系統(tǒng)需要了解各種機(jī)器臂和執(zhí)行器的定位位置，以確保運(yùn)行安全、可靠。 要做到高效，還需更深入地實(shí)時(shí)了解電機(jī)殼內(nèi)的轉(zhuǎn)子運(yùn)動(dòng)情況。

圖 1：電機(jī)控制信號(hào)鏈。

如沒(méi)有轉(zhuǎn)子角度的信息(易于在高負(fù)載下滑動(dòng))，電子裝置控制器可能會(huì)提供太多電流，而這些電流只是通過(guò)發(fā)熱浪費(fèi)掉了。 為了感測(cè)位置和轉(zhuǎn)子狀態(tài)，控制算法的一個(gè)重要變量是電機(jī)繞組的電流水平。 從概念上講，這是一個(gè)易于監(jiān)控的低成本變量，因?yàn)樗簧婕疤峁┮粋€(gè)從電機(jī)到控制電路的鏈路。 但是，確保信號(hào)盡可能準(zhǔn)確需要考慮許多因素。 誤差會(huì)導(dǎo)致無(wú)法準(zhǔn)確檢測(cè)位置并增加不必要的能耗。

電機(jī)控制中最常用的電流傳感器是分流電阻器、霍爾效應(yīng)傳感器和電流互感器。 后兩個(gè)裝置提供隔離功能，盡管會(huì)增加整體成本，但在處理高功率時(shí)非常重要。 分流電阻器電路一般限于測(cè)量 50 A 或以下的電流，但其優(yōu)勢(shì)是具有傳感器類(lèi)型器件中線性度最高的響應(yīng)能力，以及更低的低成本。 這些器件還適合 AC 和 DC 測(cè)量。

通過(guò)將分流電阻器與三角積分調(diào)制器耦合，可以實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確靈敏的結(jié)果。 三角積分采樣與濾波技術(shù)有助于抑制瞬態(tài)噪聲影響，并可以很好地支持 12 位以上的分辨率。 Texas Instruments 的 ADS1203 即是一種專(zhuān)用于包括電機(jī)控制在內(nèi)的儀表應(yīng)用的三角積分調(diào)制器。 此器件是一個(gè)單通道、二階三角積分調(diào)制器，專(zhuān)用于 DC 至 39 kHz 頻率范圍內(nèi)的高分辨率模數(shù)轉(zhuǎn)換。 此轉(zhuǎn)換器的輸出是一連串?dāng)?shù)字 1 和 0，其時(shí)間平均值與模擬輸入電壓成比例。 使用濾波三角積分調(diào)制器信號(hào)的一個(gè)關(guān)鍵優(yōu)勢(shì)是，可將量化噪聲源與瞬態(tài)噪聲源轉(zhuǎn)換至高頻率，使其更易于通過(guò)低通濾波器濾除。

圖 2：典型三角積分型比特流對(duì)模擬輸入電平變化的響應(yīng)。

通過(guò)使用調(diào)制器代替完整的模數(shù)轉(zhuǎn)換器，設(shè)計(jì)師可以調(diào)整數(shù)字濾波性能，從而最好地滿足電機(jī)控制的要求。其中包括，與向電機(jī)本身供電的 H 橋電路中的晶體管開(kāi)關(guān)事件保持嚴(yán)格同步。 濾波器本身可使用數(shù)字信號(hào)處理器 (DSP)、微控制器或現(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)陣列 (FPGA) 來(lái)實(shí)施，具體取決于成本和性能目標(biāo)。 通過(guò)使用定制濾波器，可以較好地在瞬態(tài)響應(yīng)與最終采樣分辨率之間進(jìn)行取舍。 較高的過(guò)采樣率可帶來(lái)更高的準(zhǔn)確度，但會(huì)造成數(shù)值更新率較低 - 降低過(guò)采樣會(huì)減小分辨率，但會(huì)提供較高的刷新率。

圖 3：二階三角積分調(diào)制器塊。

就數(shù)據(jù)處理而言，有一個(gè)與傳統(tǒng)逐次逼近 (SAR) 模數(shù)轉(zhuǎn)換器的對(duì)照。 通過(guò)利用 SAR 轉(zhuǎn)換器，可在采樣保持電路的協(xié)助下執(zhí)行采樣，這讓系統(tǒng)設(shè)計(jì)師可以嚴(yán)格控制采樣時(shí)刻的定時(shí)。 另一方面，三角積分轉(zhuǎn)換采用持續(xù)采樣流程，因此采樣值沒(méi)有已定義的觸發(fā)時(shí)刻。 反之，此時(shí)間點(diǎn)的采樣值是一系列 1 位采樣值的加權(quán)平均值，這一系列采樣值可能跨越此采樣值代表的這一時(shí)間點(diǎn)的值。

對(duì) 1 位比特流進(jìn)行濾波并抽取至較低速率的多比特流采樣值，可以在兩個(gè)不同階段完成，一種很常見(jiàn)的方法是使用可在一個(gè)階段執(zhí)行這兩個(gè)任務(wù)的 SINC 濾波器。 三階通常稱(chēng)為 sinc3，是目前這些應(yīng)用最普遍的選擇。

濾波器在很大程度上是一個(gè)采樣值窗口的加權(quán)總和，該加權(quán)總和會(huì)給予序列中心的采樣值更多權(quán)重;而給予序列開(kāi)始和結(jié)束處的采樣值較少權(quán)重。 鑒于測(cè)量電流中功率晶體管開(kāi)關(guān)分量的影響，需要考慮這一效應(yīng)，否則反饋算法將受到混疊等方面的影響。

sinc3 濾波器的脈沖響應(yīng)與先于中心采樣值的采樣值貢獻(xiàn)度對(duì)稱(chēng)，且中心采樣值與其后面的采樣值相同。 電流的開(kāi)關(guān)分量也沿平均電流點(diǎn)對(duì)稱(chēng)：以使開(kāi)關(guān)分量總和為零。 如果采樣窗口中心與用于驅(qū)動(dòng) H 橋的 PWM 同步脈沖對(duì)齊，則允許在不混疊的情況下測(cè)量相電流，但在從濾波器讀取數(shù)據(jù)時(shí)需要注意確保正確對(duì)齊采樣值。 濾波會(huì)強(qiáng)加一個(gè)延遲，以便 PWM 同步脈沖時(shí)濾波器的采樣值輸出將來(lái)自以前的多個(gè)時(shí)段。 相比基于 SAR 的電流測(cè)量，這在軟件程序安排中影響很大。

在 SAR 情況下，PWM 同步脈沖可觸發(fā)模數(shù)轉(zhuǎn)換器執(zhí)行一系列轉(zhuǎn)換。 當(dāng)為控制環(huán)路準(zhǔn)備好數(shù)據(jù)時(shí)，系統(tǒng)會(huì)產(chǎn)生中斷并開(kāi)始執(zhí)行控制環(huán)路。 通過(guò)利用三角積分調(diào)制器和濾波器，這些采樣值將連續(xù)生成，但相電流測(cè)量的重要采樣值將在固定延遲后準(zhǔn)備就緒。 應(yīng)使用定時(shí)器或計(jì)數(shù)器應(yīng)在出現(xiàn) PWM 同步信號(hào)時(shí)生成中斷。 采樣值計(jì)數(shù)方面的延遲實(shí)際上是 sinc3 脈沖響應(yīng)的一半。

圖 4：sinc3 濾波器的脈沖響應(yīng)。

在典型的控制系統(tǒng)中，PWM 定時(shí)器的零階保持效應(yīng)遠(yuǎn)超脈沖響應(yīng)的一半，因此 SINC 濾波器不會(huì)嚴(yán)重影響環(huán)路定時(shí)。 通過(guò)利用三角積分調(diào)制器和定制濾波器，用戶可以自由切換 SINC 濾波器延遲以獲得采樣值分辨率。 這一靈活性在設(shè)計(jì)電機(jī)控制算法時(shí)是一大優(yōu)勢(shì)。 通常算法的某些部分對(duì)延遲敏感，但對(duì)反饋的準(zhǔn)確度不太敏感。 算法的其他部分與較低動(dòng)態(tài)結(jié)合使用，并受益于準(zhǔn)確度，但對(duì)延遲不太敏感。

圖 5：定時(shí)捕獲 sync 信號(hào)。

考慮一個(gè)比例積分控制器 (PI) 算法。 P 部分和 I 元件可采用相同的反饋信號(hào)。 但是，可以分離 P 路徑和 I 路徑，并將反饋信號(hào)與不同類(lèi)型的濾波功能結(jié)合使用。 在 PI 控制器中，P 元件主要用于抑制負(fù)載和速度的快速變化效應(yīng)。 因此，它需要能對(duì)信號(hào)電平的快速變化做出響應(yīng)。 I 元件專(zhuān)注于穩(wěn)態(tài)性能，更側(cè)重于測(cè)量準(zhǔn)確度。 因此，P 元件可受益于低分辨率、快速更新率的電流反饋信號(hào)，意味著 sinc3 濾波器的過(guò)采樣和抽取率較低。 I 元件將受益于較高的過(guò)采樣率，并可承受所產(chǎn)生的更新率下降。

需要更加注意的是，在處理較大負(fù)載的系統(tǒng)中使用三角積分調(diào)制器時(shí)，另一個(gè)需要考慮的因素是隔離。 一個(gè)選擇是，只使用隔離放大器并為模數(shù)轉(zhuǎn)換采用一個(gè)非隔離式調(diào)制器，或在調(diào)制器的輸出與用于數(shù)字濾波的器件輸入之間放置一個(gè)光耦合器。 另外，也可選擇隔離式三角積分調(diào)制器。 通過(guò)利用隔離式調(diào)制器，可以免除模擬過(guò)電流保護(hù)電路，因?yàn)閿?shù)字濾波器還可采用可消除過(guò)電流效應(yīng)的配置。

AD7403 由 Analog Devices 提供，便是這樣一個(gè)例子。 通過(guò)實(shí)施二階調(diào)制器，此器件允許靈活選擇分流器規(guī)格，并提供 14 位以上的有效位數(shù)以及 20 MHz 的輸出流速率。 通過(guò)利用適當(dāng)?shù)臄?shù)字濾波器，此器件可以 78100 次采樣/秒實(shí)現(xiàn) 88 dB 的信噪比。 此隔離方案使用該公司的 iCoupler 技術(shù)，公司聲明該方案超過(guò)了典型光耦合器排列結(jié)構(gòu)的性能。

由于加入隔離等功能，以及越來(lái)越多微控制器和可編程邏輯器件的濾波性能在增強(qiáng)，設(shè)計(jì)師可以繼續(xù)為機(jī)器人應(yīng)用優(yōu)化電機(jī)控制。