電流和電壓傳感器

　　電機控制中最常用的電流傳感器為分流電阻、霍爾效應（HE）傳感器以及電流互感器（CT）。雖然分流電阻具有隔離功能且會在電流較高時出現(xiàn)損耗，但是它們是所有傳感器中最具線性、成本最低且適用于交流和直流測量的傳感器。為限制分流功率損耗的信號電平衰減通常將分流應用限制為50 A或更低。CT傳感器和HE傳感器可提供固有的隔離，因此能夠用于電流較高的系統(tǒng)。但是它們的成本更高，并且采用此類傳感器的解決方案在精度上不及采用分流電阻的解決方案，這是由于此類傳感器本身的初始精度較差或者在溫度方面的精度較差。

　　除傳感器類型外，還有許多可選的電機電流測量節(jié)點。平均直流鏈路電流即可滿足控制需求，但是在更高級的驅(qū)動器中，電機繞組電流用作主反饋變量。直接相位繞組電流測量是理想的選擇，可用于高性能系統(tǒng)。然而，在每個低位逆變器引腳上使用分流器或在直流鏈路中使用單個分流器可以間接測量繞組電流。這些方法的優(yōu)勢在于，分流信號全都以共用電源為基準，但是從直流鏈路提取繞組電流要求采樣與PWM開關(guān)同步。采用以上任何一種電流檢測技術(shù)均可進行直接相位繞組電流測量，但是必須隔離分流電阻信號。高共模放大器可提供功能隔離，但是人員安全隔離必須由隔離式放大器或隔離式調(diào)制器提供。

　　圖4展示了上述各類電流反饋選擇。雖然只需選擇其中一種即可進行控制反饋，但還可將直流鏈路電流信號用作備份信號以進行保護。

　　如前所述，系統(tǒng)功率和接地劃分將決定需要的隔離分類，并從而判斷出適用的反饋。系統(tǒng)的目標性能還會影響傳感器選擇或測量技術(shù)。縱觀整個性能圖譜，還可實現(xiàn)許多配置。

　　低性能示例：共用電位上的功率級和控制級，檢測選項A或B

　　使用引腳分流是一種最經(jīng)濟實惠的電機電流測量技術(shù)。在本例中，功率級與控制級共享同一電位，不存在要處理的共模，并且選項A或選項B的輸出可直接連接至信號調(diào)理電路及ADC.此類拓撲常見于微處理器中嵌有ADC的低功耗和低性能系統(tǒng)。

　　高性能示例：控制級接地，檢測選項C、D或E

　　在本例中，需要進行人員安全隔離。檢測選項C、D和E均有可能。在所有三個選項中，選項E提供最優(yōu)質(zhì)的電流反饋，并且作為高性能系統(tǒng)，系統(tǒng)中可能存在FPGA或其他形式的處理，可提供適用于隔離調(diào)制器信號的數(shù)字濾波器。對于選項C的ADC選擇，通常采用分立式隔離傳感器（很可能是閉環(huán)HE），以實現(xiàn)比使用當前嵌入式ADC產(chǎn)品更高的性能。與共模放大器相比，該配置中的選項D為隔離式放大器，因為需要進行安全隔離。隔離式放大器會使性能受限，因此嵌入式ADC解決方案便可滿足需要。與選項C或E相比，該選項可提供保真度最低的電流反饋。此外，雖然可將嵌入式ADC視為“免費”，將隔離式放大器視為“廉價”，但實施時通常還需要額外的組件進行偏移補償和電平轉(zhuǎn)換，以進行ADC輸入范圍匹配，從而提高了信號鏈的總體成本。

　　在電機控制設(shè)計中，可采用許多拓撲檢測電機電流，并需考慮多種因素，例如成本、功率水平以及性能水平。大多數(shù)系統(tǒng)設(shè)計人員的重要目標是改善電流檢測反饋，以在其成本目標范圍內(nèi)提高效率。對于較高端的應用，電流反饋不僅對于效率，而且對于其他系統(tǒng)性能測量（如動態(tài)響應、噪聲或轉(zhuǎn)矩波動）也至關(guān)重要。很顯然，在各種可用的拓撲中，存在性能由低到高的連續(xù)體，圖5為粗略映射圖，展示了低功率和高功率選項。

　　電機控制系統(tǒng)設(shè)計人員目標、需求以及發(fā)展趨勢：從HE傳感器轉(zhuǎn)換至分流電阻

　　與隔離式∑-Δ調(diào)制器耦合的分流電阻可提供最優(yōu)質(zhì)的電流反饋，其中，電流電平足夠低，完全可滿足分流需求。目前，系統(tǒng)設(shè)計人員的明顯傾向于從HE傳感器轉(zhuǎn)換至分流電阻，并且與隔離式放大器方案相比，設(shè)計人員還傾向于采用隔離式調(diào)制器方案。僅僅更換傳感器本身就可降低物料清單（BOM）和PCB裝配成本并提高傳感器的精度。分流電阻對磁場或機械振動均不敏感。將HE傳感器替換為分流電阻的系統(tǒng)設(shè)計人員往往會選擇隔離式放大器，并繼續(xù)使用之前在基于HE傳感器的設(shè)計中使用的ADC來限制信號鏈中的電平變化。然而，如前所述，無論ADC性能如何，該性能都將受到隔離式放大器性能的限制。

　　而且進一步將隔離式放大器和ADC替換為隔離式∑-Δ調(diào)制器可消除性能瓶頸，并大大改善設(shè)計，通常可將其從9到10位的優(yōu)質(zhì)反饋提升到12位。此外，還可配置處理∑-Δ調(diào)制器輸出所需的數(shù)字濾波器，以實現(xiàn)快速OCP環(huán)路，從而消除模擬過流保護（OCP）電路。因此，任何BOM分析不僅應包括隔離式放大器、原始ADC、兩者之間的信號調(diào)理，而且還應包括可消除的OCP設(shè)備。AD701A隔離式 ∑-Δ調(diào)制器基于ADI公司的iCoupler?技術(shù)，具有±250 mV（通常用于OCP的±320 mV滿量程）的差分輸入范圍，特別適合阻性分流器測量，是擴大此趨勢的理想產(chǎn)品選擇。模擬調(diào)制器對模擬輸入持續(xù)取樣，而輸入信息則以數(shù)據(jù)流密度的形式包含在數(shù)字輸出流內(nèi)，其數(shù)據(jù)速率最高可達20 MHz.通過適當?shù)臄?shù)字濾波器（通常為適用于精密電流測量的Sinc3濾波器）可重構(gòu)原始信息。由于可在轉(zhuǎn)換性能和帶寬或濾波器群延遲之間作出權(quán)衡，因此更簡略、更快的濾波器能夠以2 μs的數(shù)量級提供快速OCP響應，非常適用于IGBT保護。