電機驅動器的電壓基準解決方案

引言

精密信號鏈對電機驅動器來說非常重要，因為電機驅動器利用精密信號鏈來測量電機速度、位置、扭矩和電源軌，從而確保高性能系統的穩健性和效率。這一點適用于所有電機系統，例如伺服驅動器、交流逆變器和速度受控型 BLDC 驅動器，因為這些器件都具有電壓/電流感測、SIN/COS AFE 和模擬 I/O 等常見子系統。外部電壓基準 有助于更大限度地提高模擬信號鏈的分辨率和精度，從而優化驅動性能和效率。

電機驅動基礎知識

圖 1. 電機功率級示例

所有電機驅動器都需要電機功率級來為電機供電并控制電機，但由于功耗較高，因此可能效率較低。隨著政府頒布 EN 50598 等要求提高變速驅動器（包括其功率級）功效的法規，電機驅動器需要降低功耗。功率級通常將定頻交流輸入轉換為三相變頻交流輸出，如圖 1中所示，但由于需要滿足電機的可靠性和高功率要求，該功率級需要具備可持續感測的功能。

圖 2. 電壓和電流感測示例

測量電機功率級的電壓和電流有兩種常見的方法，它們都需要用到一種隔離放大器，如圖 2 中所示。電壓測量是在隔離放大器上連接一個電阻分壓器，而電流測量則通常是在三相隔離放大器的每一相上均連接一個內聯電阻器。之所以使用隔離放大器，是因為它能夠抑制大共模電壓和瞬態，另外這也是安全標準 IEC 61800-5-1的一項要求。通常需要使用隔離放大器來進行電平轉換并調整為 ADC 的輸入。

圖 3. 利用電壓基準進行電平轉換

TIDA-00366 設計方案主要用于三相電機功率驅動器中的高帶寬相電流和電壓測量。在此設計中，整個溫度范圍所需的電壓感測精度為 1%，電流感測精度為0.5%。這項設計采用 8ppm/°C 低溫漂串聯電壓基準REF2033 來提供高精度電壓，旨在從內部 C2000ADC 的隔離放大器進行電平轉換。這是因為在寬工業溫度范圍內 8ppm/°C 的低溫漂只會產生 0.1% 的溫度偏移。例如，當具有 50ppm/°C 的更高溫度系數時，整個溫度范圍內的偏移便會達到 0.8%，這超出了規格范圍。
電機反饋

高性能電機控制驅動器的一個重要特性在于該系統處理速度或位置傳感器控制環路反饋的性能。電機控制反饋是同步伺服電機和高端 AC/VFD 電機中常見的一項功能。兩種傳統的電機速度測量方式是通過旋轉變壓器或編碼器來實現的。例如，旋轉變壓器中會通過其激勵繞組引入正弦 (SIN) 和余弦 (COS) 信號，然后使用這些信號來計算電機的角速度。而編碼器則會在電機上添加傳感器來讀取 SIN/COS 信號或正交信號，從而計算角速度。

圖 4. 編碼器感測電路

編碼器相較于旋轉變壓器的優勢是前者可實現更高的精度，但會增加系統復雜性。我們經?？梢钥吹絻H具有數字或模擬編碼器的電機，例如圖 4 中所示，但事實上，結合使用這兩種編碼器能夠打造更精確的系統。例如在 TIDA-00176 中，編碼器傳感器信號鏈由比較器和ADS8354 ADC 組合而成，其中 ADS8354 用于對SIN/COS 信號進行采樣來生成高分辨率插值位置。此設計采用 REF2033 來為 SIN 和 COS 通道提供相同的電壓基準，因為基準的增益漂移會因為 SIN/COS 的采樣而抵消。電壓基準的關鍵作用在于其對 SIN/COS 失調電壓和溫漂的影響。更多相關信息，請參閱TIDA-00176 的第 1.4.1 部分。此外，TIDA-00316 顯示了如何與霍爾效應傳感器（例如編碼器中使用的那些傳感器）連接。此設計采用 REF2033 和REF2025 來為霍爾效應傳感器的電平轉換提供高精度基準，從而確保在整個溫度范圍內實現 0.5% 的精度。有關旋轉變壓
器和編碼器的更多詳情，請參閱此白皮書。增益和量化誤差會導致 ADC 的相位誤差增加，因此電壓基準需要具有高精度。增益誤差受多個參數影響，例如初始精度、溫漂和長期漂移，如方程式 1 中所示。在 TIDA-00176 的表 7 中，0.1% 的增益誤差將會轉換為 0.15° 的相位誤差，這個誤差由電壓基準和 ADC 的增益誤差組成，具體如公式中所示。通常會執行初始校準和例行校準來保持較小的相位誤差，因為即便是表 1中所示的溫漂也會顯著影響增益誤差。

表 1. 旋轉變壓器和編碼器的外部電壓器件推薦

模擬 I/O

電機驅動器中需要達到高精度的另一個模塊是模擬 I/O模塊，該模塊通常用于電機控制板和電機控制驅動器之間的通信。常見模擬 I/O 為 ±10V 模擬信號或 4-20mA電流信號。通常，必須在整個溫度范圍內保持非?？煽亢蜏蚀_的通信。大多數系統都高度可定制，因此模擬I/O 通常采用分立式設計。外部電壓基準具有多種用途，例如用于電平轉換、用作 ADC/DAC 的 VREF，以及提供精密電源。

若要提高電機驅動器的精度，更為常見的方法是在4-20mA 接收器的 ADC 或 4-20mA 發送器的 DAC 中采用精密電壓基準。在使用集成式 ADC C2000 來對輸入信號進行采樣時，這種方法很常見。這種情況下，通常使用 REF3030 來為 C2000 處理器提供輸入VREF，因為 C2000 通常是 12 位多通道 SAR ADC。借助外部 ADC，通?？蓪⒛M I/O 的 ADC 信號鏈分辨率提高到 16 位，而在此 ADC 分辨率下，始終需要精密電壓基準。模擬 I/O 中使用的常見 ADC 為ADS8688，而該 ADC 的外部電壓基準對為 REF3440和 REF3140。REF3440 和 REF3140 都為 ADC 提供極低噪聲輸入，可實現更高的有效分辨率。不過，與REF3140 相比，REF3440 電壓基準的性能更高，而為了簡化校準過程并最大程度地提高 ADC 的精度，通常會選擇性能更高的電壓基準。表 2 所示為串聯電壓基準比較表。

表 2. 電機驅動器的外部電壓器件推薦