逐次逼近型（SAR）模數(shù)轉(zhuǎn)換器在馬達控制中的應用

摘要：在馬達控制系統(tǒng)中，設計者可以從看起來不協(xié)調(diào)的組件中得到良好的性能。假設系統(tǒng)電流傳感器的輸出為±5V信號、需要使用雙電源（±12V）的模數(shù)轉(zhuǎn)換器(A/D)。現(xiàn)在已經(jīng)有一種新的A/D可以擁有同樣的效能且價格并不昂貴。

簡介：

在一個典型的馬達控制系統(tǒng)中（圖1），馬達相位線圈的電流和電壓經(jīng)由微控制器（μC）或是數(shù)字訊號處理器（DSP）來測量和轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號。由于有高電壓在馬達相位線圈上，隔離的霍爾型（Hall effect）閉環(huán)傳感器將馬達的場信號轉(zhuǎn)換成在A/D的輸入范圍內(nèi)的電壓信號。多通道SAR A/D轉(zhuǎn)換器被用來做同步取樣以得到正確相位信號。這份報告將分析閉環(huán)電流傳感器及如何從A/D轉(zhuǎn)換器實現(xiàn)最佳的信燥比。在此，我們用ADS7864，6通道、12位、500KSPS逐次逼近型型的A/D轉(zhuǎn)換器。

霍爾型閉環(huán)電流傳感器：
一個開環(huán)的電流傳感器輸出一個放大的霍爾傳感型的電壓V_H。V_H 是與通過這個裝置的基準電流、磁通量及取決過程參數(shù)和溫度的矢量因素成正比（圖2）。

這個閉環(huán)傳感器也可稱為補償型或零磁通量型傳感器，它集成了補償電路使它的整體性能優(yōu)于未補償?shù)幕魻杺鞲衅?。輸出是馬達電流的感應電流再經(jīng)由取樣電阻感應輸出。

在這傳感器中，霍爾電壓V_H 直接作用于跨導型放大器中。放大器的輸出電流被送至繞組線圈中，而感應出與馬達電流相反的磁場。放大器的高開環(huán)增益迫使霍爾傳感器的電壓變小，如此，通過霍爾傳感器的磁場也會變得非常小。我們可由馬達線圈來計算磁通量(B_p= N_P ·I_P)。磁場是反饋信號，是由磁場傳感器的輸出電流乘上次級線圈匝數(shù)（B_S = I_S ·N_S）而得。次級的電流I_S 會依匝數(shù)比而減少且遠小于I_P 是因為N_S 的匝數(shù)是被用來產(chǎn)生相同的磁通量（安匝）。因此

N_P ·I_P = N_S ·I_S （1）

放大器的高開環(huán)增益可用方程式（1）來近似表示。B_S感應出等效的B_P以及它們的安匝數(shù)來彼此平衡，因此該系統(tǒng)可在近乎零磁通量下操作。

以一個測量100A的直流電流為例: N_P=1，N_S =1000，所以匝數(shù)比是1：1000。一旦I_P 為一個正，B_P 就會在霍爾組件中產(chǎn)生V_H 電壓，這個電壓被轉(zhuǎn)換成電流再經(jīng)由放大器產(chǎn)生了I_S 后再流到次級的繞線中。B_S 就這樣產(chǎn)生且也補償了B_P。而次級的電流為：

因此, I_S 與I_P呈正比，這個電流也就是使用者所要的。以下的分析將霍爾器件用理想的電流源來取代。

具有霍爾傳感器的輸出信號（負載電阻）

輸出電流通過分流電阻產(chǎn)生輸出電壓，該電阻值的范圍須在霍爾傳感器的規(guī)格內(nèi)，也就是在電阻RM _min （是由功率消耗來決定）及RM _max 之間. 而RM _max 的取值須避免電路中的電子飽和并考慮到最小供電電壓下的最大量程。

要注意到一點那就是在規(guī)格書中指出R_M 值是與額定值及測量范圍相對應的關系，其它的條件也可以決定取樣電阻R_M的選擇。

在我們的例子中，LEM LA 55-P的閉環(huán)轉(zhuǎn)換器的參數(shù)：I_p = 70 A，T_A = 70℃，及V_C = ±15V，利用匝數(shù)比1：1000可以決定次級電流IS = 70 mA。

在LEM LA 55-P的規(guī)格數(shù)據(jù)中指出RM _max = 71Ω、RM _min =50Ω，為了要使輸出電壓能在±5V的范圍內(nèi)，故使用71Ω的電阻來當取樣電阻，圖3顯示出了I_P 與取樣電阻上電壓的關系。