電機(jī)電流檢測電路研究

林子翔 樊璟 賈宏偉

摘要：位置環(huán)、速度環(huán)和電流環(huán)組成了伺服電機(jī)的三環(huán)控制系統(tǒng)。針對(duì)電流環(huán)控制的電流采集環(huán)節(jié)，設(shè)計(jì)了基于AD7403的電流環(huán)電流信號(hào)采集電路。其關(guān)鍵優(yōu)勢在于，AD7403芯片可以非常接近實(shí)際交流電流路徑，就近把模擬信號(hào)轉(zhuǎn)化為數(shù)字輸出流，再通過DSP的數(shù)字濾波器可重構(gòu)原始信息。這樣最大程度地降低噪聲拾取，降低EMl/RFl效應(yīng)，提高系統(tǒng)精度。而且相對(duì)于傳統(tǒng)基于光耦合器的解決方案容易受到較長的傳播延遲影響，基于隔離式調(diào)制器的電流檢測應(yīng)用ADl的iCoupler?技術(shù)可以使隔離式調(diào)制器響應(yīng)和柵極驅(qū)動(dòng)器的低傳播延遲同時(shí)具備精確時(shí)序，通過快速粗調(diào)數(shù)字濾波器實(shí)現(xiàn)短路過流保護(hù)。

關(guān)鍵詞：電流檢測；AD7403；電機(jī)

0 引言

控制精度要求較高的伺服電機(jī)一般都是采用由位置環(huán)、速度環(huán)和電流環(huán)組成的三環(huán)控制系統(tǒng)。三環(huán)結(jié)構(gòu)可以使伺服系統(tǒng)獲得較好得動(dòng)態(tài)跟隨性能和抗干擾性能。其中，電流檢測對(duì)于高性能閉環(huán)電機(jī)控制而言極為重要，并且不容易在惡劣、充滿電氣噪聲的環(huán)境中實(shí)現(xiàn)高保真測量。在較高功率系統(tǒng)中，使用自身提供隔離功能的隔離電流傳感器（比如電流互感器或霍爾效應(yīng)傳感器）；而在較低功率系統(tǒng)中，趨勢是使用帶有隔離式∑-△型調(diào)制器（比如ADI AD7403）的分流電阻。以前的系統(tǒng)通常使用去飽和柵極驅(qū)動(dòng)器功能來實(shí)現(xiàn)短路過流保護(hù)，ADI的iCoupler?技術(shù)可以使基于隔離式調(diào)制器的電流檢測通過快速粗調(diào)數(shù)字濾波器實(shí)現(xiàn)隔離式調(diào)制器響應(yīng)和柵極驅(qū)動(dòng)器的低傳播延遲同時(shí)具備精確時(shí)序，優(yōu)越于傳統(tǒng)基于光耦合器的解決方案。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的采樣電路，將檢測到的電流信號(hào)轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)輸入到AD7403器件的電壓測試端，AD7403依據(jù)DSP給定的時(shí)鐘信號(hào)輸出單路5～20 MHz位流，再由DSP通過sinc3濾波器計(jì)算出相應(yīng)的1 6位ADC值，并將數(shù)據(jù)通過DMA的方式存入相應(yīng)的環(huán)形隊(duì)列，并可以通過USB或RS485與上位機(jī)進(jìn)行通訊，查看AD7403的采集效果并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行相應(yīng)的分析。

2 電流檢測電路設(shè)計(jì)

先將電流回路的電流經(jīng)過分流電阻轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電壓信號(hào)。通過集成運(yùn)放將電壓信號(hào)進(jìn)行適當(dāng)?shù)姆糯笳{(diào)整，在送入調(diào)制器轉(zhuǎn)換成數(shù)字流。本文選用的集成運(yùn)放是AD8639，在進(jìn)行電壓信號(hào)調(diào)節(jié)時(shí)，采用雙同相比較電路，輸入電阻非常大，最大限度降低信號(hào)的損失和失真。調(diào)制器選用的是AD7403，AD7403是一款高性能的二階∑-△型調(diào)制器，本身片上的數(shù)字隔離采用ADI公司的iCou pIer?技術(shù)，能將模擬輸入信號(hào)轉(zhuǎn)換為高速單比特?cái)?shù)據(jù)流。AD7403采用5V （VDDl）電源供電，可輸入±250 mV的差分信號(hào)（滿量程±320 mV）。模擬輸入由高性能模擬調(diào)制器進(jìn)行連續(xù)采樣，并轉(zhuǎn)換為數(shù)據(jù)率最高為20 MHz且密度為1的數(shù)字輸出流。通過適當(dāng)?shù)臄?shù)字濾波器可重構(gòu)原始信息，以在78.1 kSPS時(shí)實(shí)現(xiàn)88dB的信噪比（SNR）。串行輸入/輸出可采用5V或3V電源供電（VDD2），本文電路采用+5 V-ISO。該差分輸入信號(hào)非常適合用于在要求電流隔離的高電壓應(yīng)用中監(jiān)控分流電壓。串行接口采用數(shù)字式隔離。通過將高速互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體（CMOS）技術(shù)和單片變壓器技術(shù)結(jié)合在一起，較之傳統(tǒng)光耦合器等其它元件來說，片內(nèi)隔離能提供更加優(yōu)異的工作特性。

外部電流回路經(jīng)過分流電阻轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電壓信號(hào)。通過調(diào)整RFA/R1和RFB/R1來調(diào)整AD8639的增益，以盡可能發(fā)揮AD7403輸入量程優(yōu)勢。AD8639是雙通道、寬帶寬、自穩(wěn)零放大器，具有軌到軌輸出擺幅和低噪聲特性。這些放大器具有極低的失調(diào)、漂移和偏置電流。采用5V至16 V單電源供電（或±2.5 V至±8V雙電源供電）。本文所設(shè)計(jì)電路采用±2.5 V的隔離電源供電，由Rl和RFA、RFB組成兩組同相比例，設(shè)置放大器的增益。如果放大器的增益設(shè)為1 0，檢測電阻為1mΩ，AD7403輸入±300 mV的差分信號(hào)，那么該電路最高可以檢測±30 A的峰值電流。為了防止輸入過電壓對(duì)放大器造成傷害，在電流測試端采用兩組肖特基二極管和兩個(gè)10Ω電阻組成保護(hù)環(huán)，使其不受瞬態(tài)過壓和ESD的影響.因?yàn)锳D8639外接雙電源為±2.5V，所以保護(hù)電路外分別與±2.5 V電源連接，防止過電壓。R2、R3和C1構(gòu)成低通濾波器，用來降低送入調(diào)制器的噪聲。測試信號(hào)連接到調(diào)制器的VIN+和VIN-端。MDAT口在MCLKIN輸入的上升沿逐位移出串行數(shù)據(jù)到DSP，并在下一個(gè)MCLKIN上升沿有效。由DSP將主機(jī)時(shí)鐘邏輯輸入到MCLKIN腳，工作頻率范圍為5 MHz到20 MHz。VDD1腳是AD7403內(nèi)部隔離端的電源電壓，為+5V_ISO，參照地為GND1，并將10μF電容與1 nF電容并聯(lián)，將電源引腳去耦至GND1。VDD2腳為內(nèi)部非隔離端提供電源電壓，為+5 V，參照地為GND2，并采用100 nF電容將此電源去耦至GND2。

3 電源配置電路

在上述的電流檢測電路中AD7403需要+5 V的隔離電源和非隔離電源，AD8639也需要±2.5 V的隔離電源。很多成熟的三端穩(wěn)壓器都可以提供+5 V的非隔離電源。為了得到+5 V的隔離電源，本電路采用通過ADuM5000-個(gè)內(nèi)部625 kHz PWM方式提供跨越隔離柵的5V直流電源。ADuM5000是一款5V隔離式DC-DC轉(zhuǎn)換器，用作隔離端的電源，兩端完全隔離，提供2500 V rms的隔離值（1分鐘，符合UL 1577標(biāo)準(zhǔn)），且系統(tǒng)僅使用一個(gè)電源。ADuM5000運(yùn)算放大器AD8639的電源為±2.5 V。其中+2.5 V_ISO可以由低噪聲ADP121-2.5低壓差穩(wěn)壓器提供，而ADP121-2.5穩(wěn)壓器的電源由ADuM5000 VISO腳送出的+5 V-ISO提供。為提供-2.5V_ISO的電源，本文采用的是TPS60400電荷泵反相器，TPS60400的輸入電壓范圍為1.6 V至5.5 V，可以將輸入電壓反相為-1.6 V至-5.5V，即VOUT=-VIN。最大輸出電流為60 mA，整個(gè)電路只需要3個(gè)濾波電容。將ADP121-2.5的輸出電壓接入TPS60400 IN腳，在OUT腳就可以得到-2.5V_ISO。

4 結(jié)論

由于在實(shí)際電路設(shè)計(jì)時(shí)，DSP或FPGA與交流路徑都會(huì)有一定的距離，甚至于不在同一塊電路板上。如果用DSP內(nèi)部的A＼D轉(zhuǎn)換，則采集到的模擬信號(hào)經(jīng)過一段距離后才能被送入DSP，勢必會(huì)影響到信號(hào)的進(jìn)而影響到整個(gè)系統(tǒng)的精度。本文所設(shè)計(jì)的基于AD7403信號(hào)采集電路是一款完全隔離的電流傳感電路，自帶隔離電源。該電路具有極強(qiáng)的魯棒性，AD7403可以非常接近實(shí)際交流電流路徑，就近把模擬信號(hào)轉(zhuǎn)化為數(shù)字輸出流，再通過DSP的數(shù)字濾波器可重構(gòu)原始信息。這樣，最大程度地降低噪聲拾取，降低EMI/RFI效應(yīng)，提高系統(tǒng)精度。安全性通過20 μm聚酰亞胺薄膜隔離柵來實(shí)現(xiàn)。

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