【導(dǎo)讀】精密信號鏈對電機(jī)驅(qū)動器來說非常重要，因為電機(jī)驅(qū)動器利用精密信號鏈來測量電機(jī)速度、位置、扭矩和電源軌，從而確保高性能系統(tǒng)的穩(wěn)健性和效率。這一點適用于所有電機(jī)系統(tǒng)，例如伺服驅(qū)動器、交流逆變器和速度受控型 BLDC 驅(qū)動器，因為這些器件都具有電壓/電流感測、SIN/COS AFE 和模擬 I/O 等常見子系統(tǒng)。外部電壓基準(zhǔn) 有助于更大限度地提高模擬信號鏈的分辨率和精度，從而優(yōu)化驅(qū)動性能和效率。
引言
精密信號鏈對電機(jī)驅(qū)動器來說非常重要，因為電機(jī)驅(qū)動器利用精密信號鏈來測量電機(jī)速度、位置、扭矩和電源軌，從而確保高性能系統(tǒng)的穩(wěn)健性和效率。這一點適用于所有電機(jī)系統(tǒng)，例如伺服驅(qū)動器、交流逆變器和速度受控型 BLDC 驅(qū)動器，因為這些器件都具有電壓/電流感測、SIN/COS AFE 和模擬 I/O 等常見子系統(tǒng)。外部電壓基準(zhǔn) 有助于更大限度地提高模擬信號鏈的分辨率和精度，從而優(yōu)化驅(qū)動性能和效率。
電機(jī)驅(qū)動基礎(chǔ)知識
圖 1. 電機(jī)功率級示例
所有電機(jī)驅(qū)動器都需要電機(jī)功率級來為電機(jī)供電并控制電機(jī)，但由于功耗較高，因此可能效率較低。隨著政府頒布 EN 50598 等要求提高變速驅(qū)動器（包括其功率級）功效的法規(guī)，電機(jī)驅(qū)動器需要降低功耗。功率級通常將定頻交流輸入轉(zhuǎn)換為三相變頻交流輸出，如圖 1中所示，但由于需要滿足電機(jī)的可靠性和高功率要求，該功率級需要具備可持續(xù)感測的功能。
圖 2. 電壓和電流感測示例
測量電機(jī)功率級的電壓和電流有兩種常見的方法，它們都需要用到一種隔離放大器，如圖 2 中所示。電壓測量是在隔離放大器上連接一個電阻分壓器，而電流測量則通常是在三相隔離放大器的每一相上均連接一個內(nèi)聯(lián)電阻器。之所以使用隔離放大器，是因為它能夠抑制大共模電壓和瞬態(tài)，另外這也是安全標(biāo)準(zhǔn) IEC 61800-5-1的一項要求。通常需要使用隔離放大器來進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換并調(diào)整為 ADC 的輸入。
圖 3. 利用電壓基準(zhǔn)進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換
TIDA-00366 設(shè)計方案主要用于三相電機(jī)功率驅(qū)動器中的高帶寬相電流和電壓測量。在此設(shè)計中，整個溫度范圍所需的電壓感測精度為 1%，電流感測精度為0.5%。這項設(shè)計采用 8ppm/°C 低溫漂串聯(lián)電壓基準(zhǔn)REF2033 來提供高精度電壓，旨在從內(nèi)部 C2000ADC 的隔離放大器進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換。這是因為在寬工業(yè)溫度范圍內(nèi) 8ppm/°C 的低溫漂只會產(chǎn)生 0.1% 的溫度偏移。例如，當(dāng)具有 50ppm/°C 的更高溫度系數(shù)時，整個溫度范圍內(nèi)的偏移便會達(dá)到 0.8%，這超出了規(guī)格范圍。
電機(jī)反饋
高性能電機(jī)控制驅(qū)動器的一個重要特性在于該系統(tǒng)處理速度或位置傳感器控制環(huán)路反饋的性能。電機(jī)控制反饋是同步伺服電機(jī)和高端 AC/VFD 電機(jī)中常見的一項功能。兩種傳統(tǒng)的電機(jī)速度測量方式是通過旋轉(zhuǎn)變壓器或編碼器來實現(xiàn)的。例如，旋轉(zhuǎn)變壓器中會通過其激勵繞組引入正弦 (SIN) 和余弦 (COS) 信號，然后使用這些信號來計算電機(jī)的角速度。而編碼器則會在電機(jī)上添加傳感器來讀取 SIN/COS 信號或正交信號，從而計算角速度。
圖 4. 編碼器感測電路
編碼器相較于旋轉(zhuǎn)變壓器的優(yōu)勢是前者可實現(xiàn)更高的精度，但會增加系統(tǒng)復(fù)雜性。我們經(jīng)?？梢钥吹絻H具有數(shù)字或模擬編碼器的電機(jī)，例如圖 4 中所示，但事實上，結(jié)合使用這兩種編碼器能夠打造更精確的系統(tǒng)。例如在 TIDA-00176 中，編碼器傳感器信號鏈由比較器和ADS8354 ADC 組合而成，其中 ADS8354 用于對SIN/COS 信號進(jìn)行采樣來生成高分辨率插值位置。此設(shè)計采用 REF2033 來為 SIN 和 COS 通道提供相同的電壓基準(zhǔn)，因為基準(zhǔn)的增益漂移會因為 SIN/COS 的采樣而抵消。電壓基準(zhǔn)的關(guān)鍵作用在于其對 SIN/COS 失調(diào)電壓和溫漂的影響。更多相關(guān)信息，請參閱TIDA-00176 的第 1.4.1 部分。此外，TIDA-00316 顯示了如何與霍爾效應(yīng)傳感器（例如編碼器中使用的那些傳感器）連接。此設(shè)計采用 REF2033 和REF2025 來為霍爾效應(yīng)傳感器的電平轉(zhuǎn)換提供高精度基準(zhǔn)，從而確保在整個溫度范圍內(nèi)實現(xiàn) 0.5% 的精度。有關(guān)旋轉(zhuǎn)變壓器和編碼器的更多詳情，請參閱此白皮書。增益和量化誤差會導(dǎo)致 ADC 的相位誤差增加，因此電壓基準(zhǔn)需要具有高精度。增益誤差受多個參數(shù)影響，例如初始精度、溫漂和長期漂移，如方程式 1 中所示。在 TIDA-00176 的表 7 中，0.1% 的增益誤差將會轉(zhuǎn)換為 0.15° 的相位誤差，這個誤差由電壓基準(zhǔn)和 ADC 的增益誤差組成，具體如公式中所示。通常會執(zhí)行初始校準(zhǔn)和例行校準(zhǔn)來保持較小的相位誤差，因為即便是表 1中所示的溫漂也會顯著影響增益誤差。
表 1. 旋轉(zhuǎn)變壓器和編碼器的外部電壓器件推薦
模擬 I/O
電機(jī)驅(qū)動器中需要達(dá)到高精度的另一個模塊是模擬 I/O模塊，該模塊通常用于電機(jī)控制板和電機(jī)控制驅(qū)動器之間的通信。常見模擬 I/O 為 ±10V 模擬信號或 4-20mA電流信號。通常，必須在整個溫度范圍內(nèi)保持非常可靠和準(zhǔn)確的通信。大多數(shù)系統(tǒng)都高度可定制，因此模擬I/O 通常采用分立式設(shè)計。外部電壓基準(zhǔn)具有多種用途，例如用于電平轉(zhuǎn)換、用作 ADC/DAC 的 VREF，以及提供精密電源。
若要提高電機(jī)驅(qū)動器的精度，更為常見的方法是在4-20mA 接收器的 ADC 或 4-20mA 發(fā)送器的 DAC 中采用精密電壓基準(zhǔn)。在使用集成式 ADC C2000 來對輸入信號進(jìn)行采樣時，這種方法很常見。這種情況下，通常使用 REF3030 來為 C2000 處理器提供輸入VREF，因為 C2000 通常是 12 位多通道 SAR ADC。借助外部 ADC，通常可將模擬 I/O 的 ADC 信號鏈分辨率提高到 16 位，而在此 ADC 分辨率下，始終需要精密電壓基準(zhǔn)。模擬 I/O 中使用的常見 ADC 為ADS8688，而該 ADC 的外部電壓基準(zhǔn)對為 REF3440和 REF3140。REF3440 和 REF3140 都為 ADC 提供極低噪聲輸入，可實現(xiàn)更高的有效分辨率。不過，與REF3140 相比，REF3440 電壓基準(zhǔn)的性能更高，而為了簡化校準(zhǔn)過程并最大程度地提高 ADC 的精度，通常會選擇性能更高的電壓基準(zhǔn)。表 2 所示為串聯(lián)電壓基準(zhǔn)比較表。
表 2. 電機(jī)驅(qū)動器的外部電壓器件推薦
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