电流环的性能决定了整个控制系统的精度和响应速度

作者： TI 工程师 Jimmy Zhou & Frank Xiao

伺服控制系统广泛的应用在工业机器人、数控机床、电子制造、印刷机械、纺织机械等领域，在工业生产中发挥重要的作用。在工业机器人和数控机床等领域，响应速度快、转矩抖动小和精度高的伺服控制系统越来越关键。伺服控制系统的由位置环、速度环和电流环组成，电流环是内环，电流环的性能决定了整个控制系统的精度和响应速度。

一个影响电流环性能的因素是电流采样方式，目前主流的电流采样方式包括霍尔电流采样、隔离运放电流采样和隔离Δ-Σ 调制器电流采样。TI的隔离Δ-Σ 调制器 AMC1305的精度高、绝缘等级高和抗干扰性能强，广泛的应用在工业伺服、变频器和太阳能逆变器等领域。

AMC1305的电流采样方式如图1所示，AMC1305将电流信息转换为单线的数据流，该数据流通过DSP等控制芯片中的滤波器模块，还原得到电流信息。相比于前两种电流采样方式，隔离Δ-Σ 调制器用于电流采样，具有精度高和抗干扰能力强的优点。但是，隔离Δ-Σ 调制器的电流采样方式的带宽低，响应速度慢，当电机过载或短路时，需要较长的时间才能反映在电流数字量上，有可能会造成保护失效。

图1：AMC1305的电流采样示意图

为了提升AMC1305电流的采样方式的性能，兼顾电流环控制和过流保护功能，可以在DSP等控制器中，设置两组数字滤波器（见图2），一组具有较低的带宽和较高的精度，用于内部电流环控制；另外一组，具有较高的带宽和较低的精度，用于过流保护。

图2：一种兼顾电流环控制和过流保护功能的电流采样滤波器的方式

使用AMC1305的电流采样方式，通常采用Sinc3 滤波器提取电流信息，Sinc3滤波器的过采样率（Over Sample Rate，OSR）决定了电流采样的精度和带宽（见图3）。采用同样的滤波器结构，OSR和滤波器频率响应如图3 （a）所示，OSR越大，带宽越低。同样的滤波器结构下，不同OSR下的有效位数（ENOB）如图3（b）所示，OSR越大，ENOB越大。

图3：Sinc3滤波器的OSR、带宽和有效位关系

AMC1305用于电流采样时，采用Sinc3滤波器，不同的OSR，电流采样的带宽和ENOB如表1所示。

表1：Sinc3滤波器的OSR、带宽和有效位关系

 

OSR	256	128	64	32	16	8
Bandwidth/kHz	20.7	40.9	82.4	164.2	330.2	663.5
ENOB/bit	14.2	13.6	12.1	9.8	8.1	4.8

 

通过以上分析，电流环对精度要求高，Sinc3滤波器的OSR设置为128或256，ENOB大于13位；过流保护功能对快速性要求高，Sinc3滤波器的OSR设置为8或16，响应带宽大于330kHz。

本文提出一种改进的隔离Δ-Σ 调制器电流采样方式的方案，该方案有以下优点：

在满足了电流环控制的高精度要求时，满足了过流保护的快速性要求；

实现简单，无需改动外部电路

审核编辑：何安