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【2017 工业周在线研讨会热门问答】电机控制之电压与电流采样方案 20 问 —— 持续更新中

Other Parts Discussed in Thread: TL082, INA282, CONTROLSUITE, AMC1300, AMC1200

电机控制之电压与电流采样方案篇

  • 常见问答每周持续更新中,连续三周,敬请关注!

    

Q: 三相逆变器中三相电压采样采用经典的线差分采样方式,运放采用TL082,发现在逆变过程中,由MCU读取到的电压信号会随着逆变器输出功率不同而发生偏置,而且功率不同偏移量不同。请问有没有遇到过这样的问题,具体是哪个环节的问题?

A: 这种情况请查看系统的参考地设计。一般的如果采用负母线为整个系统及电压采样的参考点,则大多数情况下不会产生上述问题。如果在这种地的选择下产生上述问题,应该是PCB布板的地的处理需要调整。相关可能原因较多,上述是认为最大可能性的几点,仅供参考。

    

Q: 电压采样高压测需要隔离运放吗?

A: 可以不采用电气隔离,只用高阻抗就可以,也就是常说的电阻分压。

  

Q: 利用电阻采样电流时,采样电阻两端对地电压都比较高怎么办?

A: 如果是电机输出线上采样,采样电阻两端对地电压都比较高,这中情况下,如果系统电压<80V可以采用差分采样形式进行非隔离采样,可以使用TI INA282芯片;如果>80V出于绝缘距离限制,需要采用隔离采样。

  

Q: mcu比如c2000的AD模块的电源和地可以直接和模拟地共在一起吗,还是需要隔离?

A: C2000芯片的地,尤其是AD相关的模拟地,可以与系统的模拟地直接供地,如果隔离,那么所有和AD相关的采样信号都要隔离,否则就造成了不供地问题。

  

Q: RS1和CSH一般多大?

A: 芯片数据手册中会有对内部采样保持环节的电阻电容容值描述,一般SAR ADC内部RC值为:RS1 = 1Kohm, CSH= 4.5pF

  

Q: TI矢量控制例程中电流环反馈要软件滤波吗?若需要,截止频率的选取原则是什么?

A: 为了保证实时性及不额外增加相移,TI的例程中通过SAR ADC 电流采集到mcu后会直接使用,没有经过任何数字滤波环节。原因是,实现好的滤波效果的数字滤波环节往往阶数较大,会引入较大相移;阶数较小的滤波器,往往滤波效果不尽如人意,所以没有设计滤波环节,靠硬件上的抗混叠滤波器完成滤波工作。而SD ADC由于有固化的硬件机制实现滤波,所以SD ADC配备有滤波环节。

  

Q: 变频器的电流采样电路中能否从直流回路取出电流信号呢?

A: 可以,从直流上采样电流也就是常说的单电阻采样方式。这种方式采样得到的电流信息结合PWM信号,由软件分解得到三相电流。

  

Q: 电流采样电阻是怎样计算的?

A:  "采样电阻的确定主要需要确定阻值及功率两个值。

      阻值的确定一般是由控制精度和最大电流采样范围进行计算。

      阻值确定后,由最大电流峰值加一定余量计算采样电阻的功率等级。"

  

Q: 8377的sd模块有需要提供时钟信号,ti的开发套件采用的是pwm的信号作为该时钟,但我们的工程pwm已经使用完了,我准备用内部时钟输出即gpio73管脚作为该时钟信号,这样做可以吗,会有什么隐患呢?

A: 这样不会造成什么隐患,只是用IO模拟PWM,尤其是频率较高的PWM,会消耗较多的CPU时间资源,其他的和专门的PWM端口没有区别。

  

Q: 请问内部的采样保持电阻和电容一般是多大的?

A:  3pF或4.5pF,芯片数据手册中有明确说明

  

Q: 专家今天说到了好多次‘CLB’,不知道相关的资料在哪里能找到?

A:  2837x系列芯片数据手册中有相关描述,全称为“Configurable Logic Block”

  

Q: insta-spin有没有类库形式的资源,还是只限于部分芯片?

A:  InstaSpin核心算法是固化在特定信号芯片的ROM中的,目前支持InstaSpin的芯片有02x, 05x,06x, 37x,07x系列中芯片编号末尾为"F"或"M"的

  

Q: TI的ADC有没有镜像校准的相关算法?还有直流校准,有没有相关的寄存器可以控制?

A:  TI 的SAR ADC已经固化了AD校准功能,软件侧只要配置是否需要校准即可,如果需要校准,则ADC模块会自动将校准结果应用到结果寄存器中。同时,C2000配备了芯片内部的温度传感器,有温度补偿算法对AD采样进行温度补偿。

  

Q:用内部时钟型 三相电机控制时,如何保证两相之间的采样同步?

A:  37x系列芯片配备多个SAR ADC采样模块,每个模块有多个通道,可以实现完全同时刻的同步采样。但一般来讲电机转速与采样频率会相差十倍以上,基本上顺序采样的采样延迟不会影响控制性能。C2000 SAR ADC采集一个通道耗时在180ns左右,所以大多数情况下顺序采样的延时也是足够小的。

  

Q: C2000是不是所有的芯片都通过了AEC Q100认证?

A:  是的,所有C2000芯片都有Q100的型号

  

Q: 怎么样释放CPU资源进行高速ADC采样

A:  C2000的ADC采样启动可以配置为硬件事件启动,在进行ADC转换时,不需要CPU才与或者等待。在ADC采样时,主CPU可以进行其他运算,当采样结束时,会产生ADC采样结束时间,一般会用这个事件来触发中断。进入中断后直接读取ADC结果即可,这样可以最大限度高效率利用CPU时间。

  

Q:  ControlSuite老是出现打开后只有一个空白页面的情况,怎么解决?不会又要重装吧?

A:  这种情况可以尝试在CCS的Resource Explore中打开controlSUITE或者重装

  

Q: 如何解决ADC之前加稳压管带来的采集误差?

A:  把稳压管的压降考虑到AD采样范围中,也就是缩小了ADC采样端口电压范围,如0.3V压降的稳压管,则实际采样范围由0~3.3V变为0.3V~3V

  

Q: 新能源汽车电机控制器使用使用旋转变压器,请推荐那个MCU性价比比较好,可以软件解码旋变信号.

A:  所有C2000芯片均可以使用软件解码旋变,对于新能源汽车的主驱电机控制,建议选择28377D芯片,可实现功能安全相关功能。

  

Q:  37X的insta-spin算法对于100KW-200KW的电机的无传感器启动能做到程度?对电机参数有依赖吗?

A:  传感算法对电机参数均会有所依赖,InstaSpin也不例外,但利用其自带的参数辨识功能及定子电阻在线补偿功能可以比较好的解决参数问题。对于启动,由于InstaSpin核心原理还是利用反电势原理,则在零速和低速,估算器是无法锁定转子位置的,但InstaSpin与其他反电势原理估算器相比可以在更低的转速锁定转子位置,当前实现的性能为1HZ电频率以上即可进入InstaSpin角度闭环

  •  28377的sd模块有需要提供时钟信号,ti的开发套件采用的是pwm的信号作为该时钟,但我们的工程pwm已经使用完了,我准备用内部时钟输出即gpio73管脚作为该时钟信号,这样做可以吗,会有什么隐患呢?

    A: 这样不会造成什么隐患,只是用IO模拟PWM,尤其是频率较高的PWM,会消耗较多的CPU时间资源,其他的和专门的PWM端口没有区别。

    这个问题,好像没回答到点上,我说的是GPIO73是内部时钟的输出管脚(内部时钟直接输出到此管脚上,改管脚时钟的输入源配置的是辅助时钟,分频到20M),不是作为不同IO口使用过的。这样做会不会有隐患,因为相当于会增加晶振的负载以及涉及到该信号是否稳定等因素,这些都需要考虑,能不能给予更明确的回答,谢谢!

  • 利用电阻做电流采样和其它电流采样方式比较的优缺点在哪里? 比如说跟霍尔的电流传感器比较。

  •    我觉得:利用电阻做电流采样,跟Hall或磁通门之类比较,显然电阻方式在技术上没有优势,可能成本会低一点。Hall或磁通门之类的优势是:高边、低边通用;AD、DC通用;几乎没有插入损耗;最关键的是隔离,输入侧不需电源,SNR较高。Avago、TI的AMC12/1300跟Hall或磁通门之类比较,也没有优势。

  • 当电流在大范围内变化时,比如从几毫安到几十安范围内,有什么方法可以保证其测量的准确性?

  •    几毫安都要保证准确性,那恐怕保证不了。在做伺服、Motion、Spin控制时,母线、相的电流都是PWM波形,电流值是经过算法平均过的,这么大的范围,恐怕什么方法都保证不了。

       FYI!

  • 抱歉,之前的回复没有完全理解你的提问。

    如果是XCLKOUT 信号的话,非常不建议用这个信号去驱动其他芯片,作为其他芯片的时钟,因为这个信号引出来只是为了接高阻抗探头等设备,监视观察使用,为了方便用户验证内部时钟是否配置正确。

    shook xu said:

     28377的sd模块有需要提供时钟信号,ti的开发套件采用的是pwm的信号作为该时钟,但我们的工程pwm已经使用完了,我准备用内部时钟输出即gpio73管脚作为该时钟信号,这样做可以吗,会有什么隐患呢?

    A: 这样不会造成什么隐患,只是用IO模拟PWM,尤其是频率较高的PWM,会消耗较多的CPU时间资源,其他的和专门的PWM端口没有区别。

    这个问题,好像没回答到点上,我说的是GPIO73是内部时钟的输出管脚(内部时钟直接输出到此管脚上,改管脚时钟的输入源配置的是辅助时钟,分频到20M),不是作为不同IO口使用过的。这样做会不会有隐患,因为相当于会增加晶振的负载以及涉及到该信号是否稳定等因素,这些都需要考虑,能不能给予更明确的回答,谢谢!


  • xiaokang li said:

    利用电阻做电流采样和其它电流采样方式比较的优缺点在哪里? 比如说跟霍尔的电流传感器比较。

    电阻采样相对成本比较低,占用PCB面积和空间体积比较小。另外,在一些采样速率很高的应用场合,如>1Mhz采样率的情况,一些霍尔器件的带宽不够,或者说带宽这么大的霍尔器件成本很高,这种情况下,用电阻采样比较合适,因为电阻采样回路的带宽由选配的调理电路运放带宽决定,比较容易做到高带宽。

    电阻采样的最大缺点就是需要串联在回路中,系统电流会留过采样电阻,产生一定损耗,在大功率,超大功率上一般不会采用。另外,由于是接触式采样,相比霍尔的非接触式采样,安全性也有一些欠缺。

  • 毫安级的电流采样非常具有挑战性。如果要保证毫安级别到几十安培这么宽的采样范围内的采样精度就更具挑战。

    但据我所知,在一些医疗设备的生物电采集系统中,需要采集到微安,微伏级别的信号,所以工业上是有办法去采集和处理如此弱的信号的,但成本和系统复杂度会相对提升。

    在电机驱动的应用中,目前的经验看,其实不需要如此精确的电流采样,如果实在要做,那么有一些产品中会对采样调理回路的变比进行动态调节,即小电流的时候放大系数倍数大,大电流的时候放大系数倍数小,保证MCU AD端口处的信号足够大。但同样的,系统复杂度相对提高,越复杂的系统意味着出问题的隐患更高。所以需要对控制精度,成本和稳定性等因素综合考虑选择技术方案。

    yao han said:

    当电流在大范围内变化时,比如从几毫安到几十安范围内,有什么方法可以保证其测量的准确性?

  • anfu lee said:

       几毫安都要保证准确性,那恐怕保证不了。在做伺服、Motion、Spin控制时,母线、相的电流都是PWM波形,电流值是经过算法平均过的,这么大的范围,恐怕什么方法都保证不了。

       FYI!

    同意,不同应用中根据不同的系统性能要求,会选择不同的采样、调理和处理方式。

  • Q: TI矢量控制例程中电流环反馈要软件滤波吗?若需要,截止频率的选取原则是什么?

    A: 为了保证实时性及不额外增加相移,TI的例程中通过SAR ADC 电流采集到mcu后会直接使用,没有经过任何数字滤波环节。原因是,实现好的滤波效果的数字滤波环节往往阶数较大,会引入较大相移;阶数较小的滤波器,往往滤波效果不尽如人意,所以没有设计滤波环节,靠硬件上的抗混叠滤波器完成滤波工作。而SD ADC由于有固化的硬件机制实现滤波,所以SD ADC配备有滤波环节。

    关于这个电流采样问题,还有些问题想请教一下

    (1) 一般电流环路的采样很少加软件滤波了,在硬件上是不是要做一些滤波?  滤波的截止频率和电流环带宽大致是怎样的关系呢? 还有就是,有源滤波会比RC无源滤波效果好很多吗

    (2) 我现在用电流传感器做采样,感觉电流波动比较大,请教一下,电流采样波动多少mA算是在正常范围内?  

      

  • (1), 正如之前回答的,硬件上会有滤波,也就是我们讲座里介绍的称之为抗混叠滤波,就是通常我们看到的最简单的一阶RC滤波。这个滤波带宽会远远大于电流环带宽,而且要大于开关频率,不能让开关频率级别的纹波产生很大的相移,经验值一般会选择大于开关频率的5~10倍。比如开关频率10KHZ的系统,硬件滤波带宽最好在100K以上,电流环带宽会比这个值小很多,一般几百HZ或者1KHZ就足够了。

    你说的有源滤波一般不太会用在电流调理回路上,一个是因为电流调理回路需要滤除噪声,保持纹波,而噪声的频率级别会很高,刚提到的例子滤波带宽如果设置为100K,要是用有源方式实现那么需要非常高速的相应和控制,是非常难达到的,而且即使达到了,成本上也会是一个很大的挑战。一般讲到的有源滤波会是针对工频信号的。

    (2),电流采样波动具体是什么样的值,应该是由系统性能指标要求来确定。这会包括总的电流采样范围,控制稳态精度等系统级的指标要求。很难一概而论的说波动在多少mA 或者多少uA。建议可以按照百分比来衡量,一般要求低一些的系统不超过10%基本可以工作。

    buer1209TI said:

    Q: TI矢量控制例程中电流环反馈要软件滤波吗?若需要,截止频率的选取原则是什么?

    A: 为了保证实时性及不额外增加相移,TI的例程中通过SAR ADC 电流采集到mcu后会直接使用,没有经过任何数字滤波环节。原因是,实现好的滤波效果的数字滤波环节往往阶数较大,会引入较大相移;阶数较小的滤波器,往往滤波效果不尽如人意,所以没有设计滤波环节,靠硬件上的抗混叠滤波器完成滤波工作。而SD ADC由于有固化的硬件机制实现滤波,所以SD ADC配备有滤波环节。

    关于这个电流采样问题,还有些问题想请教一下

    (1) 一般电流环路的采样很少加软件滤波了,在硬件上是不是要做一些滤波?  滤波的截止频率和电流环带宽大致是怎样的关系呢? 还有就是,有源滤波会比RC无源滤波效果好很多吗

    (2) 我现在用电流传感器做采样,感觉电流波动比较大,请教一下,电流采样波动多少mA算是在正常范围内?  

      

  •  高侧采样和低侧采样 各有什么优势?

  • 本来要用霍尔传感器的,首先稳定和精度能保证,用3mΩ采样电阻设计个电路可以吗? 跟霍尔比有什么优点? TI 有没有隔离型的AD转换直接进行采样的方案? 精度如何,抗共模能力是否强? 如果是这方案的话采样电阻的精度和温漂怎么样?

  • Yunfeng bian1 said:

     高侧采样和低侧采样 各有什么优势?

    个人认为从原理上没有太大区别,高边由于是高压侧,如果用接触式的采样方式,需要加一些隔离措施,底边的话就没有这样的问题。

    我觉得选择高边采样,倒不如在线上采。

    我们在实际应用中大多数见到的也都是底边采样或者是线上采样。

    高边的比较少见到。

  • lei lee4 said:

    本来要用霍尔传感器的,首先稳定和精度能保证,用3mΩ采样电阻设计个电路可以吗? 跟霍尔比有什么优点? TI 有没有隔离型的AD转换直接进行采样的方案? 精度如何,抗共模能力是否强? 如果是这方案的话采样电阻的精度和温漂怎么样?

    具体采样什么样的采样方式是要根据系统要求决定的。

    如果单纯从采样精度上看,电阻采样不会比霍尔差,但由于模拟器件的温漂等因素,电阻采样受环境影响会比霍尔大。但成本比较低。

    TI的隔离运放有一个系列,其中有不同的性能指标供选择,

    你可以去搜索AMC1200/AMC1300系列产品进行了解。