伺服控制系統廣泛的應用在工業(yè)機器人、數控機床、電子制造、印刷機械、紡織機械等領(lǐng)域，在工業(yè)生產(chǎn)中發(fā)揮重要的作用。在工業(yè)機器人和數控機床等領(lǐng)域，響應速度快、轉矩抖動(dòng)小和精度高的伺服控制系統越來(lái)越關(guān)鍵。伺服控制系統的由位置環(huán)、速度環(huán)和電流環(huán)組成，電流環(huán)是內環(huán)，電流環(huán)的性能決定了整個(gè)控制系統的精度和響應速度。

 

一個(gè)影響電流環(huán)性能的因素是電流采樣方式，目前主流的電流采樣方式包括霍爾電流采樣、隔離運放電流采樣和隔離Δ-Σ 調制器電流采樣。TI的隔離Δ-Σ 調制器 AMC1305的精度高、絕緣等級高和抗干擾性能強，廣泛的應用在工業(yè)伺服、變頻器和太陽(yáng)能逆變器等領(lǐng)域。

 

AMC1305的電流采樣方式如圖1所示，AMC1305將電流信息轉換為單線(xiàn)的數據流，該數據流通過(guò)DSP等控制芯片中的濾波器模塊，還原得到電流信息。相比于前兩種電流采樣方式，隔離Δ-Σ 調制器用于電流采樣，具有精度高和抗干擾能力強的優(yōu)點(diǎn)。但是，隔離Δ-Σ 調制器的電流采樣方式的帶寬低，響應速度慢，當電機過(guò)載或短路時(shí)，需要較長(cháng)的時(shí)間才能反映在電流數字量上，有可能會(huì )造成保護失效。

 

 

圖1：AMC1305的電流采樣示意圖

 

為了提升AMC1305電流的采樣方式的性能，兼顧電流環(huán)控制和過(guò)流保護功能，可以在DSP等控制器中，設置兩組數字濾波器（見(jiàn)圖2），一組具有較低的帶寬和較高的精度，用于內部電流環(huán)控制；另外一組，具有較高的帶寬和較低的精度，用于過(guò)流保護。

 

 

 

圖2：一種兼顧電流環(huán)控制和過(guò)流保護功能的電流采樣濾波器的方式

 

使用AMC1305的電流采樣方式，通常采用Sinc3 濾波器提取電流信息，Sinc3濾波器的過(guò)采樣率（Over Sample Rate，OSR）決定了電流采樣的精度和帶寬（見(jiàn)圖3）。采用同樣的濾波器結構，OSR和濾波器頻率響應如圖3 （a）所示，OSR越大，帶寬越低。同樣的濾波器結構下，不同OSR下的有效位數（ENOB）如圖3（b）所示，OSR越大，ENOB越大。

 

 

 

 

圖3：Sinc3濾波器的OSR、帶寬和有效位關(guān)系

 

AMC1305用于電流采樣時(shí)，采用Sinc3濾波器，不同的OSR，電流采樣的帶寬和ENOB如表1所示。

 

表1：Sinc3濾波器的OSR、帶寬和有效位關(guān)系

 

 

 

 

通過(guò)以上分析，電流環(huán)對精度要求高，Sinc3濾波器的OSR設置為128或256，ENOB大于13位；過(guò)流保護功能對快速性要求高，Sinc3濾波器的OSR設置為8或16，響應帶寬大于330kHz。

 

本文提出一種改進(jìn)的隔離Δ-Σ 調制器電流采樣方式的方案，該方案有以下優(yōu)點(diǎn)：

 

● 在滿(mǎn)足了電流環(huán)控制的高精度要求時(shí)，滿(mǎn)足了過(guò)流保護的快速性要求；

● 實(shí)現簡(jiǎn)單，無(wú)需改動(dòng)外部電路