使用可靠的隔离 ADC 有效控制三相感应电机

三相感应交流电机因其极高的效率和耐受恶劣环境的特性，可为几乎 80% 的工业应用提供机械动力。对于像水泵、锅炉泵、磨床和压缩机之类需要更高启动扭矩、良好调速性能和合理超程能力的设备来说，需要对电机进行有效控制才能解决这些设备负载较重的问题。

这种控制对设计人员来说是个挑战，因为三相电机电子装置需要将分流器上的模拟信号反馈与高压、共模信号隔离开来。此外，必须在较宽的环境温度范围内保持高动态隔离电压。

对于许多应用来说，解决精密三相感应交流电机控制的着眼点在于电流感应电路和隔离式模数转换器 (ADC) 功能，如隔离式调制器。该 ADC 功能为交流电机控制应用建立了一个捕获机制，能够捕获开关电源逆变器在分流电阻器上的高压信号。

本文讨论了与实现精确交流电机控制相关的问题，以及为什么隔离式模拟反馈是这类应用的良好选择。然后介绍来自 Analog Devices 的一个隔离式三角积分调制器，以及一个用于调制器输出信号的 sin px/px（或 sinc）数字滤波器，以在利用其隔离栅的同时创建一个 16 位 ADC 字。

三相感应交流电机介绍

高性能伺服电机的主要特点就是要能平稳地旋转至失速，在失速时能充分控制扭矩，以及快速的减速和加速。高性能电机驱动系统通常采用三相交流电机（图 1）。这类机器因其低惯性、高输出功率重量比、坚固的结构和良好的旋转高速性能而取代直流电机成为首选。

图 1：工业三相感应交流电机，左边是输出转轴，上面是电气接线盒。（图片来源： Leroy-Somer）

这些交流电机采用的管理方式是矢量控制，也叫磁场定向控制。大多数现代高性能驱动装置都采用了数字式闭环电流控制。在这个系统中，可实现的闭环带宽取决于计算密集型矢量控制算法的执行率和相关矢量旋转的实时实现。这种计算负担要求数字信号处理器 (DSP) 实现一个 sinc 数字滤波器和嵌入式电机和矢量控制方案。DSP 的计算能力允许采用快速周期时间和闭环电流控制带宽。

用于这些机器的完整电流控制方案还需要一个脉宽调制 (PWM) 高压发生方案和一个高分辨率 ADC 来测量电机电流。零速度的扭矩平稳控制、转子位置反馈维护是现代矢量控制器的基本要求。在这里，我们描述了为三相交流电机实现高性能 ADC 背后的基本原理——将一个 16 位隔离式模数调制器和一个集成式 DSP 控制器与强大的 DSP 内核和灵活的数字 sinc 滤波器生成组合在一起。

隔离策略

高性能三相交流电机需要平稳地旋转至失速，完全控制失速、快速加速和减速时的扭矩，用变送器测量电机的转速，用相电流测量扭矩，直接控制隔离式栅极驱动器（图 2）。

图 2：这个三相电机驱动器系统（U、V 和 W）使用 FET 逆变器晶体管来驱动电机，并使用电流测量电阻 _RS 来检测电流大小。（图片来源：Analog Devices）

图 2 中的检测电阻 _RS 可以捕获电机的绕组电流。16 位转换使用这些信号来动态测量电机的扭矩。霍尔效应传感器捕获电机的位置。该系统可以同时捕获随时间变化的扭矩和位置。

在给三相电机控制系统供电时，需要了解重要的电压基准问题。对于电源板上的逆变器级和控制器板上的处理器来说，隔离是一个至关重要的挑战。这两块板子的接地基准不同，需要使用隔离产品来保护器件和用户免受潜在的损害和伤害。

三相交流电机共模栅极驱动器电压可高达 600 伏或更高，脉宽调制 (PWM) 开关大于 20 千赫 (kHz)，IGBT 逆变器的上升时间为 25 伏/纳秒 (ns)。这些电压和上升时间特性要求隔离装置能够在这种恶劣的环境中保护敏感电路。在最小系统干扰条件下对电机电流进行检测是基本要求。三相电机选择的传感器是一个极小的检测电阻 (R_S)。隔离系统也提高了电机控制系统的抗噪能力。

隔离系统满足了两个主要方面的设计要求：极高的桥式共模电压和电机电流捕获（_IU、_IV 和 _IW）。在图 3 中，Analog Devices 的 ADuM7701 三角积分隔离式 ±250 毫伏 (mV) 输入调制器提供了从二次侧到一次侧的数字信号。

图 3：该三相交流电机电路采用 ADuM7701 磁性隔离式三角积分调制器来捕获电机电流幅值，并使用 ADSP-CM408F DSP 实现 sinc 滤波器并评估电机状态。（图片来源：Analog Devices）

其工作温度范围为 -40°C 至 125°C，隔离栅上共模瞬态抗扰度高至 10 千伏 (kV) 每微秒 (ms)。ADuM7701 隔离侧电压为 4.5 至 5.5 伏，而 ADSP-CM408F DSP 芯片工作电压为 3.3 伏。该系统克服了模拟开关电源逆变器的高压公共信号出现在分流电阻器 (R_S) 上的隔离困难。

图 3 中 _IV 和 _IW 分流电阻器 (_RS) 值的确定取决于具体的电压、电流和功率应用要求。小电阻器可最大限度地降低功耗，但可能无法利用整个 ADuM7701 输入范围。较高阻值电阻器能够通过使用整个 ADC 的性能输入范围，实现最大的信噪比 (SNR)。最终阻值选择是精度与低功耗间的折中。

ADuM7701 调制器的指定最大输入电压为 ±250 mV。_RS 必须小于 _{VMOD_PEAK}/_{ICC_PEAK} 才能满足这些限制。对于图 3 中的例子，如果功率级的额定峰值电流为 8.5 安培 (A)，则最大分流电阻器为 29.4 毫欧 (mΩ)。

三角积分调制器操作

ADuM7701 的前端是一个二阶调制器，输入共模范围为 -0.2 伏至 +0.8 伏。这个二阶、三角积分调制器电路包含两个模拟 Σ 级（积分器）和两个模拟 Δ 级（减法器）。该组合的输出与参考电压（如接地）进行比较，以实现一比特数字输出时钟（图 4）。

图 4：ADuM7701 的前端由一个二阶三角积分调制器组成，包含两个模拟 Σ 级（积分器）和两个模拟 Δ 级（减法器）。（图片来源：Analog Devices）

时钟化的 1 位数字输出被提供至数字/抽取滤波器，并被反馈回一个数模转换器，然后被送到模拟减法器级。为了实现最佳的整体 ADC 性能，该信号与 ADSP-CM408F 相结合，构成了一个 sinc 滤波器，将调制器信号转换为一个完全可操作的 16 位字。调制器 1 位代码的即时性提供了即时的超程条件。这个完整的系统会将电阻式感应电机相电流转换为相应的电机扭矩信息。

数字滤波器

ADuM7701 调制器的输出连接到 ADSP-CM408F 数字滤波器的一次侧、二次侧和时钟输入。主信号路径继续至 sinc/抽取滤波器模块。二次侧信号路径上有超程比较器，可快速检测系统故障状况。

调制器的频率（5 兆赫 (MHz) 至 21 MHz 时钟 (_fM)）和抽取率 (D) 决定了 sinc 滤波器的性能。sinc 滤波器的阶 (O) 比调制器高一阶。因此，对于 ADuM7701，其 sinc 滤波器是三阶的。公式 1 显示了滤波器的频率响应。

 公式 1

将抽取频率与电机 PWM 开关频率相匹配可大大降低 PWM 开关谐波。图 5 中的频率响应在频率为抽取频率 (_fM/D) 的偶数倍时有零点。

图5：^三阶sinc数字滤波器振幅响应。（图片来源：Analog Devices）

结语

高性能三相交流电机要求平衡地旋转至失速，并完全控制失速、快速减速和加速时的扭矩。完成这一电机控制任务需要实时测量电机的扭矩、位置和故障情况。设计人员面临的挑战是了解交流电机的精度要求，选择隔离策略，选择合适的三角积分路径，以及实现 sinc 数字滤波器。

利用隔离式调制器和混合信号控制处理器（如 Analog Devices 的 ADuM7701 和 ADSP-CM408），设计人员就可以为水泵、锅炉泵、磨床和压缩机打造一个高精度、坚固耐用的电机控制系统。