除上文所述的系統(tǒng)功率和接地劃分外，為檢測(cè)電流和電壓而實(shí)現(xiàn)的信號(hào)鏈還會(huì)因傳感器選擇、電流隔離要求、ADC選擇以及系統(tǒng)集成的不同而有所差異。為實(shí)現(xiàn)高保真測(cè)量而進(jìn)行的信號(hào)調(diào)理并非易事。例如，在如此嘈雜的環(huán)境中恢復(fù)小信號(hào)或傳送數(shù)字信號(hào)就非常具有挑戰(zhàn)性，而隔離模擬信號(hào)則是更大的挑戰(zhàn)。在許多情況下，信號(hào)隔離電路會(huì)引起相位延遲使得系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能受限的。相位電流檢測(cè)尤其困難，因?yàn)樵摴?jié)點(diǎn)連接的電路節(jié)點(diǎn)與功率級(jí)（逆變器模塊）核心中的柵極驅(qū)動(dòng)器輸出的節(jié)點(diǎn)相同，因此在隔離電源和開關(guān)瞬變方面的需求也相同。通常根據(jù)以下三個(gè)關(guān)鍵因素來(lái)確定需在電機(jī)控制系統(tǒng)中實(shí)施的測(cè)量信號(hào)鏈（技術(shù)、信號(hào)調(diào)理和ADC）：

　　

1. 決定測(cè)量需求的系統(tǒng)中的點(diǎn)或節(jié)點(diǎn)。

　　

2. 電機(jī)功率水平以及最終選擇的傳感器（本身是否具有隔離功能）。傳感器選擇在很大程度上影響著ADC的選擇，包括轉(zhuǎn)換器架構(gòu)、功能以及模擬輸入范圍。

　　

3 終端應(yīng)用。這可推動(dòng)檢測(cè)信號(hào)鏈中對(duì)高分辨率、精度或速度的需要。例如，在較大的速度范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)不帶傳感器的控制要求進(jìn)行更多、更頻繁、更精確的測(cè)量。終端應(yīng)用還會(huì)影響對(duì)ADC功能的要求。例如，多軸控制可能需要通道數(shù)更高的ADC。

　　

　　

電機(jī)控制中最常用的電流傳感器為分流電阻、霍爾效應(yīng)（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(huì)在電流較高時(shí)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(cè)量的傳感器。為限制分流功率損耗的信號(hào)電平衰減通常將分流應(yīng)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(jī)電流測(cè)量節(jié)點(diǎn)。平均直流鏈路電流即可滿足控制需求，但是在更高級(jí)的驅(qū)動(dòng)器中，電機(jī)繞組電流用作主反饋?zhàn)兞俊Ｖ苯酉辔焕@組電流測(cè)量是理想的選擇，可用于高性能系統(tǒng)。然而，在每個(gè)低位逆變器引腳上使用分流器或在直流鏈路中使用單個(gè)分流器可以間接測(cè)量繞組電流。這些方法的優(yōu)勢(shì)在于，分流信號(hào)全都以共用電源為基準(zhǔn)，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(cè)技術(shù)均可進(jìn)行直接相位繞組電流測(cè)量，但是必須隔離分流電阻信號(hào)。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(jìn)行控制反饋，但還可將直流鏈路電流信號(hào)用作備份信號(hào)以進(jìn)行保護(hù)。

　　

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(biāo)性能還會(huì)影響傳感器選擇或測(cè)量技術(shù)?？v觀整個(gè)性能圖譜，還可實(shí)現(xiàn)許多配置。

　　

低性能示例：共用電位上的功率級(jí)和控制級(jí)，檢測(cè)選項(xiàng)A或B

　　

使用引腳分流是一種最經(jīng)濟(jì)實(shí)惠的電機(jī)電流測(cè)量技術(shù)。在本例中，功率級(jí)與控制級(jí)共享同一電位，不存在要處理的共模，并且選項(xiàng)A或選項(xiàng)B的輸出可直接連接至信號(hào)調(diào)理電路及ADC.此類拓?fù)涑Ｒ娪谖⑻幚砥髦星队蠥DC的低功耗和低性能系統(tǒng)。

　　

在本例中，需要進(jìn)行人員安全隔離。檢測(cè)選項(xiàng)C、D和E均有可能。在所有三個(gè)選項(xiàng)中，選項(xiàng)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(hào)的數(shù)字濾波器。對(duì)于選項(xiàng)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(shí)現(xiàn)比使用當(dāng)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(xiàng)D為隔離式放大器，因?yàn)樾枰M(jìn)行安全隔離。隔離式放大器會(huì)使性能受限，因此嵌入式ADC解決方案便可滿足需要。與選項(xiàng)C或E相比，該選項(xiàng)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(fèi)”，將隔離式放大器視為“廉價(jià)”，但實(shí)施時(shí)通常還需要額外的組件進(jìn)行偏移補(bǔ)償和電平轉(zhuǎn)換，以進(jìn)行ADC輸入范圍匹配，從而提高了信號(hào)鏈的總體成本。

　　

在電機(jī)控制設(shè)計(jì)中，可采用許多拓?fù)錂z測(cè)電機(jī)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(jì)人員的重要目標(biāo)是改善電流檢測(cè)反饋，以在其成本目標(biāo)范圍內(nèi)提高效率。對(duì)于較高端的應(yīng)用，電流反饋不僅對(duì)于效率，而且對(duì)于其他系統(tǒng)性能測(cè)量（如動(dòng)態(tài)響應(yīng)、噪聲或轉(zhuǎn)矩波動(dòng)）也至關(guān)重要。很顯然，在各種可用的拓?fù)渲校嬖谛阅苡傻偷礁叩倪B續(xù)體，圖5為粗略映射圖，展示了低功率和高功率選項(xiàng)。

電機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員目標(biāo)、需求以及發(fā)展趨勢(shì)：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(jì)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(jì)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(duì)磁場(chǎng)或機(jī)械振動(dòng)均不敏感。將HE傳感器替換為分流電阻的系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員往往會(huì)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(jì)中使用的ADC來(lái)限制信號(hào)鏈中的電平變化。然而，如前所述，無(wú)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(jìn)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(jì)，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(shí)現(xiàn)快速OCP環(huán)路，從而消除模擬過(guò)流保護(hù)（OCP）電路。因此，任何BOM分析不僅應(yīng)包括隔離式放大器、原始ADC、兩者之間的信號(hào)調(diào)理，而且還應(yīng)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(cè)量，是擴(kuò)大此趨勢(shì)的理想產(chǎn)品選擇。模擬調(diào)制器對(duì)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(dá)20 MHz.通過(guò)適當(dāng)?shù)臄?shù)字濾波器（通常為適用于精密電流測(cè)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?yàn)V波器群延遲之間作出權(quán)衡，因此更簡(jiǎn)略、更快的濾波器能夠以2 μs的數(shù)量級(jí)提供快速OCP響應(yīng)，非常適用于IGBT保護(hù)。

　　

　　

從信號(hào)測(cè)量方面來(lái)看，目前的一些主要難題與選擇分流電阻有關(guān)，因?yàn)樾枰獙?shí)現(xiàn)靈敏度和功耗之間的平衡。大阻值將確保使用∑-Δ調(diào)制器的整個(gè)或盡量大的模擬輸入范圍，從而獲得最大的動(dòng)態(tài)范圍。但是，由于電阻會(huì)出現(xiàn)I2 × R的損耗，因此，大阻值還會(huì)導(dǎo)致電壓下降和效率降低。電阻本身的發(fā)熱效應(yīng)而導(dǎo)致的非線性情況也會(huì)是使用較大電阻所面臨的挑戰(zhàn)。因此，系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員面臨著左右權(quán)衡取舍以及進(jìn)一步惡化的后果，他們往往需要選擇一個(gè)適當(dāng)大小的分流電阻，以滿足不同電流電平下各種型號(hào)和電機(jī)的需求。如果面對(duì)數(shù)倍于電機(jī)額定電流的峰值電流，并需要可靠捕獲兩者的值，則保持動(dòng)態(tài)范圍也是一個(gè)難題?？刂葡到y(tǒng)開機(jī)峰值電流的能力會(huì)因設(shè)計(jì)不同而有很大差異，從額定電流以上浮動(dòng)諸如30%的嚴(yán)格控制，到高達(dá)10倍于額定電流的系數(shù)。加速以及負(fù)載或扭矩變化也會(huì)產(chǎn)生峰值電流。但是，系統(tǒng)中的峰值電流通常處于驅(qū)動(dòng)器設(shè)計(jì)額定電流的4倍范圍內(nèi)。

　　

面對(duì)這些難題，系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員正在尋找具有更寬動(dòng)態(tài)范圍或具有更高信噪比和信納比（SINAD）的高性能∑-Δ調(diào)制器。最新的隔離式∑-Δ調(diào)制器產(chǎn)品具有16位分辨率并可確保高達(dá)12位有效位數(shù)（ENOB）的性能。

　　

SINAD = （6.02 N + 1.76）dB，其中N = ENOB

　　

順應(yīng)在低功耗驅(qū)動(dòng)器中使用分流電阻的趨勢(shì)，電機(jī)驅(qū)動(dòng)器制造商出于性能和成本方面的考慮，也在設(shè)法提高可利用該拓?fù)涞尿?qū)動(dòng)器的額定功率。唯一可行的方法就是使用阻值更小的分流電阻，而這需要引進(jìn)性能更高的調(diào)制器內(nèi)核，以辨識(shí)減弱的信號(hào)幅度。

　　

系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員（尤其是伺服設(shè)計(jì)人員）仍在不斷探索，試圖通過(guò)縮短模數(shù)轉(zhuǎn)換時(shí)間，或者通過(guò)采用與隔離型∑-Δ調(diào)制器和分流電阻拓?fù)溆嘘P(guān)的數(shù)字濾波器降低群延遲的方式提高系統(tǒng)響應(yīng)。如前所述，可在轉(zhuǎn)換性能和帶寬或?yàn)V波器群延遲之間作出權(quán)衡。更簡(jiǎn)略、更快的濾波器可提供更快的響應(yīng)，但會(huì)降低性能。系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員分析濾波器波長(zhǎng)或抽取比的效果，然后根據(jù)其終端應(yīng)用需求作出權(quán)衡。提高調(diào)制器的時(shí)鐘速率會(huì)有所幫助，但是許多設(shè)計(jì)人員已實(shí)現(xiàn)在AD7401A支持的20 MHz最高時(shí)鐘速率下操作。提高時(shí)鐘速率的一個(gè)缺點(diǎn)就是輻射電位和干擾（EMI）效應(yīng)。在相同的時(shí)鐘速率下，性能較高的調(diào)制器可改善群延遲與性能之間存在的權(quán)衡關(guān)系，從而在性能影響較小的情況下實(shí)現(xiàn)更快的響應(yīng)時(shí)間。

　　

　　

顯然，通過(guò)縮小分流電阻的大小、改進(jìn)無(wú)傳感器控制方案、實(shí)現(xiàn)對(duì)高效內(nèi)部永磁電機(jī)（IPM）的控制，性能更高的隔離式∑-Δ調(diào)制器可滿足工業(yè)電機(jī)設(shè)計(jì)中的多種需求和發(fā)展要求，并可提高電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的功效。ADI公司的AD7403產(chǎn)品是AD7401A的新一代產(chǎn)品，可在相同的20 MHz外部時(shí)鐘速率下提供更寬的動(dòng)態(tài)范圍。這使設(shè)計(jì)人員可以更為靈活地選擇分流電阻大小，優(yōu)化驅(qū)動(dòng)器與電機(jī)的匹配，提高額定電流與峰值電流的測(cè)量精度，減少適用于一系列電機(jī)型號(hào)的單個(gè)分流電阻大小的影響，并能夠在更高電流電平下使用分流電阻替換HE傳感器。此外，還可通過(guò)縮短測(cè)量延遲提高動(dòng)態(tài)響應(yīng)。與上一代AD7400A和AD7401A相比，AD7403的隔離方案還可使用更高的連續(xù)工作電壓（VIORM），從而可通過(guò)使用更高的直流總線電壓和更低的電機(jī)電流提高系統(tǒng)效率。

　　

　　

如前所述，實(shí)施∑-Δ調(diào)制器要求系統(tǒng)中配備數(shù)字濾波器。通常可使用FPGA或數(shù)字ASIC實(shí)現(xiàn)。ADSP-CM408F混合信號(hào)控制處理器（包含Sinc3濾波器硬件，可直接連接AD740x系列的隔離式∑-Δ調(diào)制器）的出現(xiàn)有可能加快與隔離式∑-Δ 調(diào)制器耦合的阻性分流器電流檢測(cè)技術(shù)的普及。如本文中所述，由于會(huì)提高數(shù)字域系統(tǒng)的復(fù)雜度和相關(guān)的（FPGA）成本，設(shè)計(jì)人員過(guò)去一直認(rèn)為阻性分流器電流檢測(cè)技術(shù)較為昂貴。ADSP-CM408F是性價(jià)比較高的解決方案，可使許多以往受限于成本目標(biāo)的設(shè)計(jì)人員考慮使用該技術(shù)。