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      Σ-Δ轉換用于電機控制

      2019-10-30 10:04:26 135

      【摘錄于EETOP,  來源:ADI  作者:Jens Sorensen

      ?-&型模數轉換器廣泛用于需要高信號完整度和電氣隔離的電機驅動應用。 雖然Σ-Δ技術本身已廣為人知,但轉換器使用常常存在不足,無法釋放這種技術的全部潛力。本文從應用角度考察Σ-Δ ADC,并討論如何在電機驅動中實現最佳性能。

      簡介

      在三相電機驅動中測量隔離相電流時,有多種技術可供選擇。圖1顯示了三種常用方法:一是隔離傳感器(如霍爾效應或電流互感器)結合一個放大器;二是電阻分流器結合一個隔離放大器;三是電阻分流器結合一個隔離Σ-Δ ADC。  

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      通常,Σ-Δ ADC針對的是需要高信號質量和電流隔離度的變頻電機驅動和伺服應用。隨ADC而來的還有解調和濾波,這些一般是由FIR濾波器(如三階sinc濾波器sinc3)處理。

      Σ-Δ ADC具有最低的分辨率(1位),但通過過采樣、噪聲整形、數字濾波和抽取,可以實現非常高的信號質量。Σ-Δ ADC和sinc濾波器的原理已廣為人知且有據可查。
      采用Σ-Δ ADC,用戶可以自由選擇sinc濾波器延遲或輸出數據保真度。抽取率較高時,延遲較長,但信號質量較高;抽取率較低時則相反。這種靈活性對于電機控制算法設計十分有利。通常,算法的某些部分對延遲敏感,而對反饋精度較不敏感。其它部分適合在較低動態特性和較高精度下工作,但對延遲較不敏感。舉個例子,考慮圖7 (a)所示的常規比例積分控制器(PI)。 4, 5 P部分和I部分采用相同的反饋信號工作,意味著該信號的動態特性必須適合兩種控制路徑。不過,P路徑和I路徑可以分離,如圖7 (b)所示。由此還可以再前進一小步,圖7 (c)顯示P路徑和I路徑分離,并且采用具有不同動態特性的反饋信號工作。 
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      P部分的任務是抑制快速負載變化和快速速度變化,但精度不是主要考慮。換言之,低抽取率和短延遲的sinc濾波器對P部分有利。I部分的任務是確保穩態性能穩定且精確,它要求高精度。因此,高抽取率和較長延遲的sinc濾波器對I部分有利。這就產生了圖8所示的實現方案。
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      本文所述的概念已在ADI公司的一個400 V電機控制平臺上得到實現和驗證。盡管缺少明確定義的采樣時刻,但Σ-Δ轉換可用來測量電機電流而不會有混疊效應。本文所述技術可將sinc濾波器對PWM信號的脈沖響應正確對齊。以PI控制器為例,本文說明可以調諧兩個并聯sinc濾波器來滿足控制算法的要求,從而改善帶寬和穩態性能。

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