电机控制系统中的电压电流采样实现

大家好 欢迎大家参加TI公益研讨会 我是TI Century FAE Igor An 主要负责数字电源 和电机控制算法开发 今天我将接着James 给大家介绍的内容 继续向大家介绍 TI为大家提供的 电机控制的总体软硬件结构 今天我主要介绍的部分 是电机控制系统中的反馈环节 首先我们看在电机控制系统中 很重要的反馈环节 就是我们的电压 电流采样 以及电机转子位置的位置信息采样 那这些 我们罗列了整个电机系统中 包含了几乎所有的采样类型 包括电流采样 电压采样 转子位置采样 以及温度采样 甚至一些信号调理电路 那这都是我们在电机控制系统中 必须要具有的这些采样环节 那下面我们将逐一为大家介绍 TI能够在这些采样环节中 供大家选择的解决方案 和相关器件 那对于电压电流采样来说 它在电机控制系统中 对这些采样环节的一些要求 那主要是为了满足实时控制的要求 那我的电压电流采样 会反馈到我的MCU 作为我的实时控制环路中的一部分 作为主要的反馈信息 来组成我的闭环控制环路 那它对采样的精度 和实时性要求是非常高的 那对于电压采样来说 其实我们知道电压采样 如果是不谈隔离的话 它是一个很简单的这种采样方式 基本就是电阻分压 就可以满足我大部分的采样要求 那对于电机控制系统来说 基本上大多数电机控制系统里 只需要采一个母线电压 直流母线电压就可以了 那某些无传感算法 可能会要求采电机输出的三相端电压 那无论哪种采样 只要是没有隔离的要求 那基本上我们就用电阻分压 加最后可能就加一个 滤波的RC网络去滤一下 基本上电压采样就可以了 那如果是要求有隔离的要求 那我们可能会考虑隔离运放 或者是线性光耦等等 后面我们会专门去给大家介绍 一些隔离的这种方案 那对于电流采样 那首先我们是可以选择多种的 电流采样的传感器 包括我们的经常用的 上层电阻和霍尔传感 以及隧道磁阻等等 这种磁效应传感器 那对于采样位置 我们从这个图上可以看到 我们会见到的三个采样位置 就是最常用的下管对D采样 那线上的这种采样 也是相对比较多的 对于高边的采样 它是存在的 但是实际应用中会非常少 因为它的这个 和另外两个位置的采样相比 它有很多的弊端 那它在高边 它需要隔离 同时它和下管采样具有同样的问题 它就是 它的采样的时刻 是取决于我的管子的开关状态的 那相比这个上管和下管采样 在线上这个电流采样 实际上是不受我管子的开关去影响的 但同样的在线上采样 一般需要隔离 会增加我的系统成本 那对于对电流采样 不要求隔离的这种系统应用 一般都会采用下管对D采样 那对于不同的电流传感器 比如说我们大体分为两个类 一个是非接触式的 一个是接触的 就直接采样的 那非接触式就是以霍尔 或者是隧道磁阻等采样技术为基础 那它其实通过电磁感应 去感应磁场强度 有电流流过的这个导体 外边有线圈 那只不过有开环或闭环霍尔等等支撑 那这种采样的方式 就天然的就是一种隔离型的采样 当然这种类型的非接触式的采样 它的成本相对较高 但是它的一个很好的优点 就是因为它是非接触式的 所以我整个采样环节 对我系统中流过的电流 不产生任何影响 也不会增加系统任何损耗 相比较这种非隔离式的非接触式的 接触式的这种采样 实际上一般都会串入线路中 一个采样电阻 那我既然有采样电阻在这里面 那流过电阻的电流就会在这上面 产生一定的热损损耗 那在中低功率的时候 我们会可以采用这种电阻型的采样 但如果是比较大功率的系统中 一般采用电阻采样的这种相对较少 有电阻采样之后 后面只要加一个运放 去用差分的形式对信号进行调理 就可以得到我的需要的 电流采样的信息 那如果有一些这种隔离性要求 那可能我会使用隔离性运放 或者使用我们的Delta-Sigma 这种隔离型的Delta-Sigma调制的 调制芯片 等等 那这是主要的几种采用的传感器 那我们常见的上层电阻 闭环霍尔 开环霍尔 或者是我们的叫的ct 那这几种各有各的优点缺点 那么后面我们会有一个 相对完整的比较 那对于非隔离型的在线上的采样 那我们TI会提供一个专用芯片 就是INA282 或者是LMP8640HV 那这两个芯片其实我们也看到一个 很重要的一个限制条件 就是它在一个相对低压的系统中 才可以使用 这是INA282的内部结构图 它是用差分输入的方式 去采集上层电阻两端的端电压 由于它可以采到很小的电压值 所以我们能够保证它的 电流采样的精度 但是由于它其实是不隔离的 所以它的耐压等级是有一定的限制的 所以它不能用在相对高压的系统中 那这个是为我们低压的电流采样 提供了一种解决方案 那它内部会自带一个运放调理 所以经过INA282之后 这个信号就可以直接 输入到我们的MCO中 那这个里面我们看到 就是我们大多数产品中 中低功率产品中经常会用到的 三种电流采样方式 就是下管的三路电流采样 两路或者是单电阻采样 那不管哪种采样 其实它用到的一个原理就是我们 最基本的技术或服务的定律 那三个电流Ia Ib Ic 相加等于0 UVW电流相加等于0 那因为它们整个拓扑中 是没有零序电流的通路的 所以它们是一直会得0的 那单电阻采样 我们会省掉两个电阻 但是我们知道 这个电流产生电阻采回来之后 我会需要经过运放去调理 那对这个运放的带宽和压摆率的 那单电阻的要求 就比双电阻和三电阻要高 原因是因为 对于双电阻和三电阻来说 我每一个运放调理的只是一路的电流 那它这个信号的频率 就是一路的纹波频率 那也就是我的开关频率 那我们定义为FS 那对于单电阻来说 这个电阻流过的这个电流 实际上是三相电流的叠加 那它的频率实际上是 开关频率的三倍 是3FS 所以调理这个 电流信号它需要用的这个运放 它的最低的要求的指标是比我 三电阻和两电阻电流采样的 这个要求是要高的 那它的最低要求 我们这里强调是最低要求 就是最低的运放指标的要求 至少是我 三电阻和两电阻电流采样的这个三倍 那当然我们现在很多运放的选择 即使在三电阻和两电阻的时候 因为现在运放性能大大提高 成本大大下降 所以在这个三电阻两电阻采样 所用的运放 其实有些指标 是足够这个单电阻电流采样的 所以在这种情况下 我用单电阻采样 实际会对这个系统成本 得到下降的 那如果我们就按照最低的要求 去选择我的运放的情况下 那其实单电阻采样虽然我省掉了两个 对于三电阻来说 我省掉了两个电阻 但同时我的 这个运放可能要更高级的 那这种情况下 那可能我单电阻采样的整个成本 不见得是比我这个三电阻的这个 或者是两电阻采样的这个要节省 或者是 即使节省也不会有特别大的这个 余量 那对于这个 不隔离型的这个Low Side 就是下管的这个采样 那我们 后面会就是上面电阻出来以后 我会经过运放 那这个运放我们 经常会用到的 这个是OPA2320 或LMP7718 整个这个运放的选择 其实就是要考虑它几个重要的指标 就是压摆率 还有它的带宽 那我们这里给了一些典型值 当然这个 其实是取决于你的开关频率的 那我们给典型值是十伏每秒的压摆率 和这个20兆的带宽 那这个是 看我们的这个 实际电机控制的开关频率 来决定这个两个运放的这个指标 那当然Rail to Rail的这个Output这种 或者这个DCDC的这个 这个是都能通用的 不管用哪种电流采样方式 我们几电阻的都会有这种要求 那这张图给大家一个简单的比较了 就是各种电流采样的传感器 它所适用的范围 主要是看它的这个采样精度 1‰或者1% 或10% 以及它所适用的这个电流范围 那我们看到大功率的这个 大电流的情况下 基本上我们这个电阻 基本是不会适用的 那基本都是这种非隔离型的 霍尔 开环霍尔 闭环霍尔 或者是闭环的这个磁通道的这种传感 那下面就是罗列了我们主要的几种 这个隔离型的电流传感的方式 那第一个就是我们这里 就是线性光耦 那其实工业界用线性光耦 去做电流采样的这个隔离的话 是比较少的 一个线性光耦的成本相对较高 再一个它的这个带宽和速率 一般很难做得特别高 所以线性光耦是一种方式 但是用的相对比较少 还有就是隔离运放 那这个其实是相对用的较多的 就当前用得较多 这种隔离型的电流采样 那这端我可以接一个电阻 就上层采样电阻 然后我通过隔离型运放 出来一个隔离的这个电流采样数据 这个有一个设计的难度吧 可以讲 就是我的隔离运放的输入电压范围 相对不是特别宽 后面的调理的输出的这个倍数 也是固定的 那可能 有些时候这种调理 直接输出这个值并不能够 完全满足我的采样范围要求 可能后期我还需要加一个 运放一类的这种调节比例的这个电路 去调节它的这个整个比例 那这是一种隔离型的 采样电流的方式 那第三种就是 最近非常热门的 这个Delta-Sigma采样方式 那它这种实际上是利用一个 有隔离型的这种调制器 去将模拟信号先去调整 调制成一个数字信号 再通过后端的mcO 内部的数字滤波再加解调器 把这个信号还原回来 那这个Delta-Sigma的这个采样机制 我们有专门的一个视频讲解 那这个视频叫我们的 在TI的这个电压电流的采样方案 那里面详细介绍了 SAR ADC和Delta-Sigma ADC的 基本工作原理和方式 以及它们外围电路的设计和指南 大家感兴趣可以去参考 最后一个就是我们相当于这个 霍尔一类的这种磁性器件的非隔离 就非接触式的这种采样方式 那我们TI能够提供的 那实际上是跟这种 这个线圈和磁性的这个 采集器件相配合的一部分芯片 控制的电路 那这是DRV401系列 它是提供的一个 控制和采集信号调理电路 那后端的这个磁环和线圈 是需要额外再连接上去的 所以TI提供的这种 非接触式的电流采样 并不是一个整体的 电流采样的一个设备 或是一个器件 那只是它一部分的控制芯片和电路 好 对于隔离型的这个电流采样 那我们 这里就是隔离运放是一个非常 就是现在目前工业界用的 非常广的一个 那我们的主要的一个隔离型运放的 料号是AMC130X系列 对 就是它不同的隔离型位置 我们对隔离方进行采样 对于这种隔离型的Delta-Sigma 采样技术 它其实主要包括一个前端的调制模块 那我们TI提供的调试模块芯片是 AMC1204 AMC120 1304 1305 这几个调制芯片隔离型的 那后端 我们把…其实隔离调制芯片 是将连续的模拟信号 进行一个高频调制 将模拟信号变成一个这个 一个高频的类似于PWM波的 一样的这个频率信号 那传输给后端的解调芯片 那这个解调芯片 我们可以用独立外挂的 这个AMC1210 它这个里面有这个SINC3这种滤波器 数字滤波器进行 滤波和解调 或者是用我们的Soprano系列的这个 C2000MCU 因为它内部集成了这些 数字滤波器和解调芯片 或者是用我们的Sitara的 ICSS和PRU单元 去做这个Delta-Sigma的数字滤波和解调 所以通过整个的这个环路 我们就可以用Delta-Sigma 对信号进行隔离的电流采样 好 这张图其实是我们的一个总结 就隔离型的电流采样 TI能够为大家提供的 哪些解决的办法 那第一个就是我们用AMC1304 1305或者1204等等 这些调制的 Delta-Sigma调制的芯片进行调制 然后后端用我们一颗C2000 或者是我们之前提到的Sitara 这些带数字滤波和解调单元的MCU 去做后端的数字滤波和解调 或者我们用一颗AMC1210 去做这个数字滤波和解调 通过一些高速的通讯接口 与没有这些调制解调单元的 MCU进行通讯 使MCU得到电流采样信息 完成隔离电流采样 那同时我还可以通过一些非隔离的 ADS1204 1205 1209等非隔离型的 去采这种类似于霍尔这种 从这个采样器件本身它实现的 这种隔离 去实现我这个隔离采样 那同样的它可以有这几种通路 那这个AMC1301 AMC1200 实际上是隔离运放 那它就是传统的隔离运放的使用方式 最后给大家推荐一个我们的TI Design 这个就是我们用TI的这个 上面提到的几种原器件 我们做的一个参考设计 来帮助大家熟悉了解我们整个这个 Delta-Sigma的这个采样技术 电压电流的隔离采样技术 所以我们用这个板子 大家可以直接把我们提供的代码 写到这个版里 直接去测试它的相关性能 那方便大家评估 好 这一部分内容就讲到这里 欢迎大家继续关注以下章节 谢谢大家