一种提高隔离Δ-Σ 调制器电流采样短路保护性能的方法

作者: TI 工程师 Jimmy Zhou & Frank Xiao

伺服控制系统广泛的应用在工业机器人、数控机床、电子制造、印刷机械、纺织机械等领域,在工业生产中发挥重要的作用。在工业机器人和数控机床等领域,响应速度快、转矩抖动小和精度高的伺服控制系统越来越关键。伺服控制系统的由位置环、速度环和电流环组成,电流环是内环,电流环的性能决定了整个控制系统的精度和响应速度。

一个影响电流环性能的因素是电流采样方式,目前主流的电流采样方式包括霍尔电流采样、隔离运放电流采样和隔离Δ-Σ 调制器电流采样。TI的隔离Δ-Σ 调制器 AMC1305的精度高、绝缘等级高和抗干扰性能强,广泛的应用在工业伺服、变频器和太阳能逆变器等领域。

AMC1305的电流采样方式如图1所示,AMC1305将电流信息转换为单线的数据流,该数据流通过DSP等控制芯片中的滤波器模块,还原得到电流信息。相比于前两种电流采样方式,隔离Δ-Σ 调制器用于电流采样,具有精度高和抗干扰能力强的优点。但是,隔离Δ-Σ 调制器的电流采样方式的带宽低,响应速度慢,当电机过载或短路时,需要较长的时间才能反映在电流数字量上,有可能会造成保护失效。

1AMC1305的电流采样示意图

为了提升AMC1305电流的采样方式的性能,兼顾电流环控制和过流保护功能,可以在DSP等控制器中,设置两组数字滤波器(见图2),一组具有较低的带宽和较高的精度,用于内部电流环控制;另外一组,具有较高的带宽和较低的精度,用于过流保护。

2:一种兼顾电流环控制和过流保护功能的电流采样滤波器的方式

使用AMC1305的电流采样方式,通常采用Sinc3 滤波器提取电流信息,Sinc3滤波器的过采样率(Over Sample Rate,OSR)决定了电流采样的精度和带宽(见图3)。采用同样的滤波器结构,OSR和滤波器频率响应如图3 (a)所示,OSR越大,带宽越低。同样的滤波器结构下,不同OSR下的有效位数(ENOB)如图3(b)所示,OSR越大,ENOB越大。

3Sinc3滤波器的OSR、带宽和有效位关系

AMC1305用于电流采样时,采用Sinc3滤波器,不同的OSR,电流采样的带宽和ENOB如表1所示。

1Sinc3滤波器的OSR、带宽和有效位关系

OSR

256

128

64

32

16

8

Bandwidth/kHz

20.7

40.9

82.4

164.2

330.2

663.5

ENOB/bit

14.2

13.6

12.1

9.8

8.1

4.8

通过以上分析,电流环对精度要求高,Sinc3滤波器的OSR设置为128或256,ENOB大于13位;过流保护功能对快速性要求高,Sinc3滤波器的OSR设置为8或16,响应带宽大于330kHz。

本文提出一种改进的隔离Δ-Σ 调制器电流采样方式的方案,该方案有以下优点:

  • 在满足了电流环控制的高精度要求时,满足了过流保护的快速性要求;
  • 实现简单,无需改动外部电路

 

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