电机驱动隔离（电机隔离电路）

机器人应用需要精确控制驱动许多机器关节的电机。控制系统需要知道各种机械臂和执行机构的定位位置，以确保运行安全可靠。为了提高效率，需要更深入、实时地了解电机外壳内的转子运动。

图1：电机控制信号链。

如果没有有关转子角度的信息（在高负载下往往会打滑），电子控制器可能会提供过多的电流，而这些电流只会通过加热而浪费掉。为了感测位置和转子状态，控制算法中的一个重要变量是电机绕组中的电流水平。从概念上讲，这是一个易于监控的低成本变量，因为它只涉及提供从电机到控制电路的链接。然而，需要考虑许多因素以确保信号尽可能准确。错误会导致位置检测不准确和不必要的能源消耗。

电机控制中最常用的电流传感器是分流电阻器、霍尔效应传感器和电流互感器。后两个单元提供隔离，这在处理高功率时很重要，尽管它增加了总体成本。分流电阻器电路通常仅限于测量50 A 或更低的电流，但具有任何传感器类型设备中具有最线性响应且成本较低的优点。这些设备还适用于交流和直流测量。

通过将分流电阻器与- 调制器耦合，可以获得准确且灵敏的结果。 Delta-sigma 采样和滤波技术有助于抑制瞬态噪声的影响并支持12 位以上的分辨率。 Texas Instruments 的ADS1203 是一款- 调制器，专为包括电机控制在内的仪器仪表应用而设计。该器件是一款单通道二阶- 调制器，设计用于从DC 到39 kHz 的高分辨率模数转换。该转换器的输出是一系列数字1 和0，其时间平均值与模拟输入电压成正比。使用经过滤波的- 调制器信号的一个关键优点是量化噪声和瞬态噪声源被转换为高频，从而更容易用低通滤波器将其滤除。

图2：典型sigma delta 位流对模拟输入电平变化的响应。

通过使用调制器而不是完整的模数转换器，设计人员可以调整数字滤波性能，以最好地满足电机控制要求。其中包括与为电机本身供电的H 桥电路中晶体管的开关事件保持严格同步。滤波器本身可以使用数字信号处理器(DSP)、微控制器或现场可编程门阵列(FPGA) 来实现，具体取决于成本和性能目标。通过使用定制滤波器，可以在瞬态响应和最终采样分辨率之间实现更好的权衡。较高的过采样率会带来更高的精度，但数值更新率较低- 降低过采样会降低分辨率，但会提供更高的刷新率。

图3：二阶- 调制器模块。

在数据处理方面，与传统的逐次逼近（SAR）模数转换器进行了比较。通过利用SAR 转换器，可以借助采样保持电路来执行采样，这使得系统设计人员能够严格控制采样时刻的时序。另一方面，sigma-delta 转换使用连续采样过程，因此采样值没有定义的触发时刻。反之，该时间点的样本值是一系列可能跨越该样本值所代表的该时间点的值的1位样本值的加权平均值。

过滤1 位比特流并将多比特流样本抽取到较低速率可以在两个不同的阶段中完成，一种非常常见的方法是使用SINC 滤波器在一个阶段中执行这两项任务。三阶（通常称为sinc3）是迄今为止这些应用中最流行的选择。

过滤器主要是样本窗口上的加权和，为序列中心的样本赋予更多的权重，为序列开头和结尾的样本赋予更少的权重。考虑到功率晶体管的开关元件对被测电流的影响，需要考虑这种影响，否则反馈算法会出现混叠等问题。

sinc3 滤波器的脉冲响应与中心样本之前的样本的贡献对称，并且中心样本与其之后的样本相同。电流的开关分量也关于平均电流点对称：因此开关分量的总和为零。如果采样窗口的中心与用于驱动H 桥的PWM 同步脉冲对齐，则可以在没有混叠的情况下测量相电流，但在读取数据时需要注意确保采样值正确对齐从过滤器。滤波会施加延迟，以便当PWM 同步脉冲时，滤波器的采样值输出将来自多个先前周期。与基于SAR 的电流测量相比，这对软件程序安排具有重大影响。

对于SAR，PWM 同步脉冲会触发模数转换器执行一系列转换。当数据准备好用于控制循环时，系统生成中断并开始执行控制循环。通过利用sigma-delta 调制器和滤波器，这些样本值将连续生成，但用于相电流测量的重要样本值将在固定延迟后准备就绪。应使用定时器或计数器在PWM 同步信号出现时生成中断。样本计数的延迟实际上是sinc3 脉冲响应的一半。

图4：sinc3 滤波器的脉冲响应。

在典型的控制系统中，PWM定时器的零阶保持效果远远超过脉冲响应的一半，因此SINC滤波器不会显着影响环路时序。通过利用sigma-delta 调制器和自定义滤波器，用户可以自由切换SINC 滤波器延迟以获得样本值分辨率。在设计电机控制算法时，这种灵活性是一个主要优势。通常，算法的某些部分对延迟敏感，但对反馈的准确性不太敏感。该算法的其他部分以较低的动态运行并受益于准确性，但对延迟不太敏感。

图5：同步信号的时序捕获。

考虑比例积分控制器(PI) 算法。 P 部分和I 元件可以使用相同的反馈信号。然而，可以将P路径和I路径分开并使用具有不同类型的滤波功能的反馈信号。在PI控制器中，P元件主要用于抑制负载和速度快速变化的影响。因此，它需要能够响应信号电平的快速变化。 I 组件注重稳态性能，更注重测量精度。因此，P 元件可以受益于低分辨率、快速更新率电流反馈信号，这意味着sinc3 滤波器具有较低的过采样率和抽取率。 I 元素将受益于更高的过采样率，并且可以承受由此产生的更新率下降。

更重要的是，在处理较大负载的系统中使用- 调制器时要考虑的另一个因素是隔离。一种选择是仅使用隔离放大器和非隔离调制器进行模数转换，或者在调制器的输出和器件的输入之间放置一个光耦合器以进行数字滤波。另外，还可以使用隔离式- 调制器。通过利用隔离调制器，可以消除模拟过流保护电路，因为数字滤波器也可以以消除过流影响的方式进行配置。

Analog Devices 提供的AD7403 就是这样的一个例子。通过实现二阶调制器，该器件可以灵活选择分流规格，并提供超过14 个有效位和20 MHz 的输出流量。通过利用适当的数字滤波器，该器件可以在每秒78100 个样本的情况下实现88 dB 的信噪比。该隔离方案使用该公司的iCoupler 技术，该公司声称该技术超出了典型光耦合器布置的性能。

由于越来越多的微控制器和可编程逻辑器件增加了隔离和增强的滤波功能等功能，设计人员可以继续优化机器人应用的电机控制。