Σ-Δ转换技术在电机控制中的应用与优势

"电机控制中的Σ-Δ转换技术" 在三相电机驱动系统中，测量相电流的方法多样，其中Σ-Δ转换技术因其高信号质量和电流隔离能力而在变频电机驱动和伺服应用中受到青睐。图1列出了三种常见的电流测量技术，包括隔离传感器（如霍尔效应或电流互感器）配以放大器、电阻分流器配合隔离放大器，以及电阻分流器结合隔离Σ-Δ模数转换器（ADC）。 Σ-ΔADC的工作原理虽然不在此详述，但其核心在于通过过采样、噪声整形、数字滤波和抽取等步骤实现高精度的信号转换。通常，这种转换器的分辨率较低（1位），但通过上述机制，能够达到极高的信号质量。在电机控制中，Σ-ΔADC的解调和滤波通常由有限冲击响应（FIR）滤波器如sinc3滤波器来处理。 在电机驱动中，Σ-ΔADC用于测量相电流时，会遇到的一个关键问题是区分电流的平均分量和开关分量。当电机由开关电压源逆变器供电时，相电流呈现两部分：平均分量和与PWM脉宽调制（PWM）相关的开关分量。为了控制目的，我们需要关注的是电流的平均值。在图2中，电流在PWM周期的开始和中心点等于平均值。为了准确测量平均分量，理想情况下是在PWM SYNC信号同步时进行采样，这允许在不引起混叠的情况下进行欠采样。 然而，Σ-Δ转换器的采样是连续的，不同于逐次逼近型（SAR）ADC的离散采样。如图3所示，Σ-Δ转换器对模拟信号进行高频采样，然后通过解调和抽取来处理信号。解调器将1位数据流转化为多位信号，而抽取则降低更新速率，使之适应控制算法的需要。这个过程可能涉及两级滤波和抽取，以优化性能和减小计算负担。 在实际应用中，为了从Σ-Δ转换器的连续采样中提取平均电流，需要设计一种方法来同步采样与PWM周期。这可能涉及到在ADC内部或外部的信号处理机制，以确保在每个PWM周期的适当时间点获取平均电流值。此外，Σ-ΔADC的噪声整形特性可以进一步提升系统的抗干扰能力，尤其是在高噪声环境中。 总结来说，Σ-Δ转换技术在三相电机控制中提供了一种高效且精确的电流测量手段，尤其适用于需要高隔离度和信号质量的场合。通过理解其工作原理和在系统中的集成方式，设计者可以优化电机控制算法，提高系统的稳定性和效率。