原创 馬達控制電流感測之應用比較之一

馬達控制電流感測之應用比較 【設計論壇】Chew,,Ming-Hian<?XML:NAMESPACE PREFIX = O />

電流感應器是馬達控制系統中一項重要元件，近幾年來感應器技術上的發展已讓精確度與可靠度有了改善，同時也降低了成本，現今可用的許多感應器，是將感應器本體以及信號條件電路整合成單一封裝。

在馬達控制應用中，將電流資訊傳送到微控制器或數位信號處理器的三種最普遍隔離電流感應方式為：隔離放大器和分流電阻器、霍爾效應電流感應器、電流感應變壓器。本文將討論並比較前兩種做法。

隔離放大器與分流電阻器
分流電阻器由於能以低成本提供精確的測量結果，因此是相當常見的電流感應器。其判讀已知的低阻電組器之壓降以判斷流經負載的電流，接著透過如光耦合放大器或電位轉換高壓晶片來將電壓差轉換到可用的範圍，並提供電阻器與控制電路間所需的電氣隔離，圖一是在電流感應上使用低阻值分流電阻器，並用高阻值並聯電阻器作為電壓感應元件的典型馬達控制方塊圖。

在設計電流分流感應電路上面臨的一個較難的問題是如何在雜訊相當高的工作環境，例如馬達相位電流的影響下提供精確類比信號的直流隔離、或動態電位轉換，其 中主要的困難來自於大的共模電壓、共模電壓的高變動率，及轉換IGBT變流器電晶體時所產生的瞬間電壓變化，這些變化的幅度會相等於DC供應電壓，甚至更高，同時上升速度也相當迅速(高於10 kV/μs)，使得感應流經每個馬達相位的電流變得困難。

光隔離放大器不受到外界磁場的影響，且不存在可能影響霍爾效應電流感應器偏移的磁場效應，同時光隔離放大器還能輕易地安裝在印刷電路板上，並且在性能上也相當具有彈性，使得相同的電路與印刷電路板佈局可以透過簡單地更換分流電阻就能夠應用在不同電流範圍的感測上。
採用線性光耦合器的放大器可能因工作溫度變化造成線性漂移，且會因電流轉輸率(CTR, Current Transfer Ratio)經過時間老化而縮短操作壽命的影響，這些可透過放大器的輸出入端加入和相匹配光電二極體所組成的負回授電路，讓轉換不受到任何LED輸出的老化影響，只要兩個光二極體與光學特性確實緊密匹配，其他方式則包括在輸入端使用由類比數位轉換電路或ADC所構成的電壓頻率轉換器，讓光隔離路徑傳送數位 而非類比資訊，而在隔離放大器的另一端，再透過數位類比轉換器產生比例的電壓輸出。

sigma-delta(Σ-Δ)(也稱為過度取樣或1-bit)結構主要由一個1-bit ADC與濾波電路所構成，對輸入信號進行過度取樣並進而執行雜訊處理來達到高解析度的數位位元串，輸出平均值和輸入信號成正比，Σ-Δ轉換器由兩個運算放 大整合器以及一個時脈源的比較器所構成，並由高頻率非重疊的雙相位時脈以大約<?XML:NAMESPACE PREFIX = ST1 />6MHz驅動。Σ-Δ轉換器所採用每秒6百萬次取樣(6MSPS)的操作可節 省輸入取樣保留或追蹤保留電路的需求。這項編碼方式的大幅優勢是任何非理想的LED特性，(例如非線性度以及因時間或溫度)所造成的漂移，對隔離放大器運作效能的影響微乎其微。

使用Σ-Δ轉換器在類比到數位轉換上有兩個好處：
1. 轉換精確度主要由高取樣率決定，且不太受到晶片製程中元件是否匹配的影響。
2. Σ-Δ調變器會執行放大器雜訊的處理，讓它更有效率地被濾除。

了解隔離放大器的參數
與馬達驅動電流感應應用相關的隔離放大器規格包括：

輸入參考偏壓：這是取得0V輸出所需的輸入電壓，所有隔離放大器都需在反向與非反向輸入之間有一個小型電壓，以便能將無法避免製程差異所造成的非匹配情況加以平衡，所需的電壓大小就稱為輸入偏壓(VOS)。

Avago的Σ-Δ放大器數據表還提供了另一個與VOS相關的參數，就是輸入偏移壓的平均溫度係數，這個以μV/°C為單位的參數|?VOS/?TA|提 供了不同溫度下可能出現的輸入偏壓漂移，VOS以元件的極限溫度來測量，而|?VOS/?TA|則以?VOS/?°C計算。

■增益公差：這在多重相位驅動中特別重要，因為它需要精確增益公差以確保精確相位間的準確度，而對如Avago的HCPL-7860/786J/7560等隔離式調變器來說，較為重要的規格為數位類比轉換與參考電壓VREF的參考公差。

Avago的數據表提供了與增益相關的另一個參數：增益平均溫度係數。G的平均溫度係數|?G/?TA|(V/V/°C)定義了不同溫度下可能的增益漂 移，G以元件的極限溫度測量，而|?G/?TA|是以?G/?°C計算，對隔離調變器而言，則是|?VREF/?TA|，單位為ppm/°C。

■非線性度：這是元件在整體輸入電流範圍下精確度的指標，為元件輸出電壓與預期電壓值間的差異，並以實際輸出範圍的%表示，%數值越低，代表元件表現越佳，也就是更接近完美的線性。

Avago的數據表同樣也列出了關於非線性的另一個參數，為非線性的平均溫度係數，非線性平均溫度係數|?NL/?TA|單位為%/°C，定義為溫度變化下預計的非線性度，非線性度以元件的極限溫度下測量，而|?NL/?TA|是以?%/?°C計算。

■共模聚斥(CMR)：在電子馬達驅動時，會因反向電晶體的的切換動作產生大的電壓瞬間變化，這些瞬間變化最小會等於兩端的DC電壓大小，並可具備迅速的上升速率，使得流經每個馬達相位的電流感應變得相當困難。

■傳遞延遲與頻寬：元件的反應速度必須快到以確保能夠精確地表示輸入信號，且以不波及系統的穩定性，元件同時也必須能夠快到以避免受到短路所造成的破壞。