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.亚德诺半导体技能(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)公司技能支持部司理，首要从事电机操控，仪器仪表，医疗电子等技能支持与研讨。
摘要：Σ-Δ型模数转化器广泛用于需求高信号完好度，电气阻隔的电机操控电流采样运用中，阻隔型的Σ-Δ调制器通过过采样，数字滤波等将模仿量转化成单比特的数据流，一起能够满意5kVrms的阻隔度，在高精度伺服电机电流采样驱动中发挥最佳功能。
0 导言
在数字化的伺服电机操控体系中，电流采样的精度和实时性很大程度上决议了体系的功能。准确的电流丈量是进步体系操控精度、稳定性和呼应速度的重要因素，一起也是完成高功能闭环操控体系的关键所在。
在传统的电流检测的计划中，最常见的是运用霍尔传感器，电流信号通过电磁转化，变为直流电压输出，通过模仿数字转化器(ADC)后，送到处理器(DSP)进行数据运算。可是，霍尔传感器的线性度一般比较差，受温度的影响比较大，并且封装也比较大，这使得霍尔传感器计划约束了电流丈量精度的进一步进步。
近年来，呈现了一些新式的电流检测计划[1]。运用采样电阻，把电流转化为电压，运用数字调制技能把模仿量转化为数字码流，然后再通过数字阻隔技能完成数字码流的电气阻隔。代表性的如AVAGO公司的HCPL-786X和ADI公司的AD740x系列产品便是电阻分流器和Σ-Δ型调制器结合典型的代表。
如图1
AD740x阻隔式电流反应体系的框图所示，Σ-Δ型调制器发生与输入电压成函数联系的调制位流，然后将信号跳过阻隔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，以便康复表明电机绕组电流的16位数字信号。
1 阻隔型的Σ-Δ调制器介绍
Σ-Δ(Sigma-Delta)调制器(Modulator)
[2]，望文生义，是指将高速CMOS工艺和iCoupler®数字阻隔技能结合在一起的特征产品，能将模仿输入信号转化为20
Mbps的1-b码流输出。模仿调制器对模仿输入信号接连采样，因而无需外部采样坚持电路。集成有片上基准源，具有16b无失码的功能，失调漂移典型值一般在2
µV/℃左右。阻隔型的Σ-Δ调制器较之前传统的光耦合器等其他元件来说，能供给愈加优异的功能，更能够满意5 KVrms的阻隔度。
Σ-Δ(Sigma-Delta)调制器能够将模仿输入信号转化为单比特的数据流，一阶Σ-Δ调制器的框图如图2所示。Σ-Δ调制器尽管只运用1
b的量化比较器，由于选用了过采样和噪声整形技能，所以仍然能到达较高的精度[3]。
模仿Σ-Δ调制器对输入信号接连采样，因而无需外部的采样坚持电路，输入信息包括在数据率为20
Mbps的输出码流中，后续规划恰当的数字滤波器，就能够重构原始信息。尽管输入信号的一切信息都由1 b的数据流来表明，但这种对1
b数据流进行信号处理将会带来许多便利，它减少了互连线，更避免了多路数据线传输时的推迟不一致及搅扰，这使得电路结构简略简单，节约电路本钱并进步电路的处理速度。
在电机操控运用中，需求特别注意失谐和增益差错的温度漂移，Σ-Δ
ADC的失谐和增益差错可增加体系差错，如电机的扭矩纹波。由于这对体系稳定性的影响很大。许多用于电机操控运用的电流丈量体系都会集成温度传感
器来监督异常情况，能够运用此温度信息来履行失谐和增益差错漂移补偿，以下降阻隔型的Σ-Δ调制器数据手册中指定的漂移数据，别离可将失调差错漂移和增益差错漂移下降30%和90%[4]。
2 数字滤波
传统的过采样技能，选用远高于奈奎斯特(Nyquist)频率的时钟对输入信号进行采样，使得量化噪声的功率散布在更宽的频带内，这样就减少了信号频带内的噪声。但Σ-Δ调制器(Modulator)运用噪声整形(Noise
Shaping)技能将量化噪声搬移到高频段，因而，在后续的数字处理中，有必要将高频噪声滤除后才干真实进步ADC的功能，所以数字抽取滤波器的功能在整个Σ-Δ(Sigma-Delta)ADC中起着至关重要的效果。图3说明晰传统的过采样技能和Σ-Δ
ADC的不同之处。流程A描绘的是奈奎斯特采样时的噪声散布;流程B描绘的是传统的过采样及噪声散布;流程C是Σ-Δ过采样及噪声散布。
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计划[5]，在信号处理范畴，Sinc滤波器是一种有用滤除高频噪声而只保存低频信号的抱负滤波器。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呼应如图4所示。
当k的取值不一起，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(有用位数)，能够看出，在平等的OSR下，Sinc3滤波器得到ENOB最高，而Sinc滤波器得到的有用位数最低。
3 Σ-Δ调制器在多路电流采样电路中的规划
在多路电流采样规划中，往往有多个采样电阻，多个阻隔型的Σ-Δ调制器器材。采样电阻将电流信号转化为电压信号，其两头的电压输入给阻隔型的Σ-Δ调制器，差分电压信号通过调制、阻隔后输出的码流送给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处理器能便利地通讯，FPGA中还需求规划对应的接口。
在电路采样规划中，需求选用准确度高、温漂小的采样电阻为才干完成准确丈量的意图，一般的采样电阻会影响采样的准确性，并且采样电阻的取值还需求考虑最小功率损耗和最大准确性的折中点，因而规划中需求细心考虑。
考虑到作业时钟同步问题，主张阻隔型的Σ-Δ调制器是外置时钟Clock，在多片的运用中就有多个Clock时钟，图6以两片阻隔型的Σ-Δ调制器为例描绘。
本文以AD740x为例，别离输入正弦波和方波信号，在RC端和FPGA输出测验到的输出的信号波形如下，别离对应CH1, CH2,
CH3如图7所示。
选用Σ-Δ ADC，用户能够自由选择Sinc滤波器推迟或输出数据保真度，抽取率较高时，推迟较长，但信号质量较高;抽取率较低时则相反。
这种灵活性关于电机操控算法规划十分有利。 运用Σ-Δ ADC和Sinc滤波器对PWM信号的脉冲呼应正确对齐，来丈量三相电机电流而不会有混叠效应,
以及怎么定位Sinc滤波器零点以协助消除电流反应中的开关噪声，具体能够参考文献[6]。
4 总结
综上所述，比较于霍尔电流传感器采样电流，阻隔型Σ-Δ调制器能直接将模仿量转化为数字量输出，省去模仿阻隔时所需求ADC转化器。一起阻隔型的Σ-Δ调制器在运用中可靠性高，抗搅扰能力强，并具有较高的精度，因而它是十分适合在准确伺服电机操控中电流采样的解决计划。一起也需求在FPGA中规划多个Sinc3数字滤波器。规划印刷电路板(PCB)布局时应特别当心，有必要契合相关辐射规范，具体能够参看运用笔记[7]。
参考文献：
[1]罗 映, 万超 伺服电机操控体系中电流采样三种计划的比较, 电子元器材运用，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: 运用ADSP-CM402F/ADSP-CM403F/ADSP-CM407F/ADSP-CM408F SINC
滤波器和AD7401A完成阻隔式电机操控反应, ADI 公司
[6]Jens Sorensen Σ-Δ转化用于电机操控, ADI 公司
[7]AN-0971, isoPower器材的辐射操控主张, ADI 公司
本文来源于《电子产品世界》2018年第12期第56页，欢迎您写论文时引证，并注明出处。
