摘要：位置環(huán)、速度環(huán)和電流環(huán)組成了伺服電機的三環(huán)控制系統(tǒng)。針對電流環(huán)控制的電流采集環(huán)節(jié)，設計了基于AD7403的電流環(huán)電流信號采集電路。其關(guān)鍵優(yōu)勢在于，AD7403芯片可以非常接近實際交流電流路徑，就近把模擬信號轉(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，提高系統(tǒng)精度。而且相對于傳統(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)制器的電流檢測應用ADI的iCoupler?技術(shù)可以使隔離式調(diào)制器響應和柵極驅(qū)動器的低傳播延遲同時具備精確時序，通過快速粗調(diào)數(shù)字濾波器實現(xiàn)短路過流保護。

0引言

控制精度要求較高的伺服電機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)獲得較好得動態(tài)跟隨性能和抗干擾性能。其中，電流檢測對于高性能閉環(huán)電機控制而言極為重要，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傳感器);而在較低功率系統(tǒng)中，趨勢是使用帶有隔離式Σ-Δ型調(diào)制器(比如ADIAD7403)的分流電阻。以前的系統(tǒng)通常使用去飽和柵極驅(qū)動器功能來實現(xiàn)短路過流保護，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)字濾波器實現(xiàn)隔離式調(diào)制器響應和柵極驅(qū)動器的低傳播延遲同時具備精確時序，優(yōu)越于傳統(tǒng)基于光耦合器的解決方案。

1系統(tǒng)總體設計

本文設計的采樣電路，將檢測到的電流信號轉(zhuǎn)換成電壓信號輸入到AD7403器件的電壓測試端，AD7403依據(jù)DSP給定的時鐘信號輸出單路5~20MHz位流，再由DSP通過sinc3濾波器計算出相應的16位ADC值，并將數(shù)據(jù)通過DMA的方式存入相應的環(huán)形隊列，并可以通過USB或RS485與上位機進行通訊，查看AD7403的采集效果并對數(shù)據(jù)進行相應的分析。

2電流檢測電路設計

先將電流回路的電流經(jīng)過分流電阻轉(zhuǎn)換成相應的電壓信號。通過集成運放將電壓信號進行適當?shù)姆糯笳{(diào)整，在送入調(diào)制器轉(zhuǎn)換成數(shù)字流。本文選用的集成運放是AD8639，在進行電壓信號調(diào)節(jié)時，采用雙同相比較電路，輸入電阻非常大，最大限度降低信號的損失和失真。調(diào)制器選用的是AD7403，AD7403是一款高性能的二階Σ-Δ型調(diào)制器，本身片上的數(shù)字隔離采用ADI公司的iCoupler?技術(shù)，能將模擬輸入信號轉(zhuǎn)換為高速單比特數(shù)據(jù)流。AD7403采用5V(VDD1)電源供電，可輸入±250mV的差分信號(滿量程±320mV)。模擬輸入由高性能模擬調(diào)制器進行連續(xù)采樣，并轉(zhuǎn)換為數(shù)據(jù)率最高為20MHz且密度為1的數(shù)字輸出流。通過適當?shù)臄?shù)字濾波器可重構(gòu)原始信息，以在78.1kSPS時實現(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+5V_ISO。該差分輸入信號非常適合用于在要求電流隔離的高電壓應用中監(jiān)控分流電壓。串行接口采用數(shù)字式隔離。通過將高速互補金屬氧化物半導體(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)換成相應的電壓信號。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16V單電源供電(或±2.5V至±8V雙電源供電)。本文所設計電路采用±2.5V的隔離電源供電，由R1和RFA、RFB組成兩組同相比例，設置放大器的增益。如果放大器的增益設為10，檢測電阻為1mΩ，AD7403輸入±300mV的差分信號，那么該電路最高可以檢測±30A的峰值電流。為了防止輸入過電壓對放大器造成傷害,在電流測試端采用兩組肖特基二極管和兩個10Ω電阻組成保護環(huán),使其不受瞬態(tài)過壓和ESD的影響.因為AD8639外接雙電源為±2.5V，所以保護電路外分別與±2.5V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MCLKIN上升沿有效。由DSP將主機時鐘邏輯輸入到MCLKIN腳，工作頻率范圍為5MHz到20MHz。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1nF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+5V，參照地為GND2，并采用100nF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+5V的隔離電源和非隔離電源，AD8639也需要±2.5V的隔離電源。很多成熟的三端穩(wěn)壓器都可以提供+5V的非隔離電源。為了得到+5V的隔離電源，本電路采用通過ADuM5000一個內(nèi)部625kHzPWM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2500Vrms的隔離值(1分鐘，符合UL1577標準)，且系統(tǒng)僅使用一個電源。ADuM5000運算放大器AD8639的電源為±2.5V。其中+2.5V_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ADuM5000VISO腳送出的+5V_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1.6V至5.5V，可以將輸入電壓反相為-1.6V至-5.5V，即VOUT=-VIN。最大輸出電流為60mA，整個電路只需要3個濾波電容。將ADP121-2.5的輸出電壓接入TPS60400IN腳，在OUT腳就可以得到-2.5V_ISO。

4結(jié)論

由于在實際電路設計時，DSP或FPGA與交流路徑都會有一定的距離，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經(jīng)過一段距離后才能被送入DSP，勢必會影響到信號的進而影響到整個系統(tǒng)的精度。本文所設計的基于AD7403信號采集電路是一款完全隔離的電流傳感電路，自帶隔離電源。該電路具有極強的魯棒性，AD7403可以非常接近實際交流電流路徑，就近把模擬信號轉(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，提高系統(tǒng)精度。安全性通過20μm聚酰亞胺薄膜隔離柵來實現(xiàn)。