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如何提高隔離Δ-Σ 調(diào)制器電流采樣短路保護(hù)性能?

發(fā)布時(shí)間:2018-10-25 責(zé)任編輯:lina

【導(dǎo)讀】伺服控制系統(tǒng)廣泛的應(yīng)用在工業(yè)機(jī)器人、數(shù)控機(jī)床、電子制造、印刷機(jī)械、紡織機(jī)械等領(lǐng)域,在工業(yè)生產(chǎn)中發(fā)揮重要的作用。在工業(yè)機(jī)器人和數(shù)控機(jī)床等領(lǐng)域,響應(yīng)速度快、轉(zhuǎn)矩抖動(dòng)小和精度高的伺服控制系統(tǒng)越來越關(guān)鍵。伺服控制系統(tǒng)的由位置環(huán)、速度環(huán)和電流環(huán)組成,電流環(huán)是內(nèi)環(huán),電流環(huán)的性能決定了整個(gè)控制系統(tǒng)的精度和響應(yīng)速度。
 
伺服控制系統(tǒng)廣泛的應(yīng)用在工業(yè)機(jī)器人、數(shù)控機(jī)床、電子制造、印刷機(jī)械、紡織機(jī)械等領(lǐng)域,在工業(yè)生產(chǎn)中發(fā)揮重要的作用。在工業(yè)機(jī)器人和數(shù)控機(jī)床等領(lǐng)域,響應(yīng)速度快、轉(zhuǎn)矩抖動(dòng)小和精度高的伺服控制系統(tǒng)越來越關(guān)鍵。伺服控制系統(tǒng)的由位置環(huán)、速度環(huán)和電流環(huán)組成,電流環(huán)是內(nèi)環(huán),電流環(huán)的性能決定了整個(gè)控制系統(tǒng)的精度和響應(yīng)速度。
 
一個(gè)影響電流環(huán)性能的因素是電流采樣方式,目前主流的電流采樣方式包括霍爾電流采樣、隔離運(yùn)放電流采樣和隔離Δ-Σ 調(diào)制器電流采樣。TI的隔離Δ-Σ 調(diào)制器 AMC1305的精度高、絕緣等級(jí)高和抗干擾性能強(qiáng),廣泛的應(yīng)用在工業(yè)伺服、變頻器和太陽(yáng)能逆變器等領(lǐng)域。
 
AMC1305的電流采樣方式如圖1所示,AMC1305將電流信息轉(zhuǎn)換為單線的數(shù)據(jù)流,該數(shù)據(jù)流通過DSP等控制芯片中的濾波器模塊,還原得到電流信息。相比于前兩種電流采樣方式,隔離Δ-Σ 調(diào)制器用于電流采樣,具有精度高和抗干擾能力強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)。但是,隔離Δ-Σ 調(diào)制器的電流采樣方式的帶寬低,響應(yīng)速度慢,當(dāng)電機(jī)過載或短路時(shí),需要較長(zhǎng)的時(shí)間才能反映在電流數(shù)字量上,有可能會(huì)造成保護(hù)失效。
 
如何提高隔離Δ-Σ 調(diào)制器電流采樣短路保護(hù)性能?
 
圖1:AMC1305的電流采樣示意圖
 
為了提升AMC1305電流的采樣方式的性能,兼顧電流環(huán)控制和過流保護(hù)功能,可以在DSP等控制器中,設(shè)置兩組數(shù)字濾波器(見圖2),一組具有較低的帶寬和較高的精度,用于內(nèi)部電流環(huán)控制;另外一組,具有較高的帶寬和較低的精度,用于過流保護(hù)。
 
 
如何提高隔離Δ-Σ 調(diào)制器電流采樣短路保護(hù)性能?
 
圖2:一種兼顧電流環(huán)控制和過流保護(hù)功能的電流采樣濾波器的方式
 
使用AMC1305的電流采樣方式,通常采用Sinc3 濾波器提取電流信息,Sinc3濾波器的過采樣率(Over Sample Rate,OSR)決定了電流采樣的精度和帶寬(見圖3)。采用同樣的濾波器結(jié)構(gòu),OSR和濾波器頻率響應(yīng)如圖3 (a)所示,OSR越大,帶寬越低。同樣的濾波器結(jié)構(gòu)下,不同OSR下的有效位數(shù)(ENOB)如圖3(b)所示,OSR越大,ENOB越大。
 
 
如何提高隔離Δ-Σ 調(diào)制器電流采樣短路保護(hù)性能?
 
 
圖3:Sinc3濾波器的OSR、帶寬和有效位關(guān)系
 
AMC1305用于電流采樣時(shí),采用Sinc3濾波器,不同的OSR,電流采樣的帶寬和ENOB如表1所示。
 
表1:Sinc3濾波器的OSR、帶寬和有效位關(guān)系
 
 
如何提高隔離Δ-Σ 調(diào)制器電流采樣短路保護(hù)性能?
 
 
通過以上分析,電流環(huán)對(duì)精度要求高,Sinc3濾波器的OSR設(shè)置為128或256,ENOB大于13位;過流保護(hù)功能對(duì)快速性要求高,Sinc3濾波器的OSR設(shè)置為8或16,響應(yīng)帶寬大于330kHz。
 
本文提出一種改進(jìn)的隔離Δ-Σ 調(diào)制器電流采樣方式的方案,該方案有以下優(yōu)點(diǎn):
 
● 在滿足了電流環(huán)控制的高精度要求時(shí),滿足了過流保護(hù)的快速性要求;
● 實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單,無需改動(dòng)外部電路
 
 
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