IC693PWR321CA

IC693PWR321CA  具有的分辨率(1位)，但通過過采樣、噪聲整形、數字濾波和抽取，可以實現非常高的信號質量。Σ-Δ ADC和sinc濾波器的原理已廣為人知且有據可查，本文不予討論。本文關注的是如何在電機驅動中實現性能，以及如何在控制算法中利用該性能。

利用Σ-Δ ADC測量相電流

當三相電機由開關電壓源逆變器供電時，相電流可以看作由兩個分量組成：平均分量和開關分量，如圖2所示。最上面的信號為一個相電流，中間的信號為逆變器相位臂的高端PWM，最下面的信號為來自PWM定時器的樣本同步信號PWM_SYNC。PWM_SYNC在PWM周期開始時和中心處置位，因此，它與電流和電壓紋波波形的中點對齊。為簡明起見，假設所有三相的占空比都是50%，意味著電流只有一個上升斜坡和一個下降斜坡。

圖2. 相電流在PWM周期開始時和中心處等于平均值

為了控制目的，僅關注電流的平均分量。要提取平均分量，最常見的方法是對與PWM_SYNC同步的信號進行采樣。在此情況下，電流為平均值，因此，如果能對采樣時刻進行嚴格控制，就可以實現欠采樣而不會發生混疊。

使用常規逐次逼近型(SAR) ADC時，采樣由專用采樣保持電路執行，用戶得以嚴格控制采樣時刻。然而，Σ-Δ轉換是一個連續采樣過程，需要通過其它方式來提取電流平均值。為了更好地了解這個問題，看一下Σ-Δ信號鏈的高級視圖會有幫助，如圖3所示。

第一個元件是轉換器本身。以數MHz的速率對模擬信號進行采樣，將其轉換為1位數據流。此外，轉換器對量化噪聲進行整形，將其推到更高頻率。轉換器之后是通過濾波和抽取方式執行的解調。濾波器將1位信號轉換為多位信號，抽取過程將更新速率降低，使之與控制算法相匹配。濾波和抽取可以分兩級完成，但極常見的方法是使用一個sinc濾波器，它能在一級中完成這兩個任務。sinc濾波器可以在FPGA中實現，或者也可以是微處理器中的標準外設(這已是司空見慣)。無論sinc濾波器如何實現，三階(sinc3)是的形式。

從控制方面來說，可以將ADC視作理想器件，通常10MHz到20MHz的轉換速率在數kHz帶寬的控制環路中引入的延遲微不足道。然而，sinc3濾波器會引入一個延遲，使得我們無法談論某個規定的采樣時刻。為了更好地理解這一點，濾波器的復數頻率域表示G(z)會有幫助：

DR為抽取率，N為階數。濾波器為以采樣頻率更新的N個積分器 (1/(1 – z–1))和以抽取頻率(采樣頻率/DR)更新的N個微分器(1 – z–DR)。該濾波器有存儲器，這意味著電流輸出不僅取決于電流輸入，同時也取決于以前的輸入和輸出。通過繪制濾波器脈沖響應曲線可以很好地說明濾波器的這種特性：

其中，y為輸出序列，x為輸入序列，h為系統脈沖響應。sinc濾波器是一個線性且不隨時間變化的系統，因此脈沖響應h[n]可用來確定任何時間對任何輸入的響應。舉個例子，圖4顯示了一個抽取率為5的三階sinc濾波器的脈沖響應。

圖4. 三階sinc3濾波器(抽取率為5)的脈沖響應

可以看出，濾波器為加權和，中間的采樣獲得較大權重，而序列開始/結束時的采樣權重較低。由于相電流的開關分量，這一點是必須考慮的，否則反饋會發生混疊。幸運的是，該脈沖響應是對稱的，因此sinc濾波器會賦予中間軸之前和之后的采樣以相同的權重。另外，相電流的開關分量也是對稱的，中心點為平均電流。也就是說，如果在平均電流時刻之前采集了x個等距樣本，并將其加到在平均電流時刻之后采集的x個等距樣本之上，開關分量之和便是0。這可以通過對齊PWM_SYNC脈沖的脈沖響應中心軸來實現，如圖5所示。

圖5. 對齊sinc濾波器對PWM的脈沖響應

為了正確對齊PWM脈沖響應，必須知道脈沖響應的長度。三階濾波器的脈沖響應中的軸數為：

利用此式可以算出以秒為單位的脈沖響應長度：

其中，tM為調制器時鐘周期。該時間值很重要，因為它告訴我們一個樣本完全通過濾波器需要多長時間。脈沖響應的中心軸恰好位于總濾波器長度的一半處，因此，一個樣本走完一半路程所需的時間必定為：

所以，如果輸入采樣開始于PWM_SYNC之前的τd，并且在PWM_SYNC之后的τd讀取濾波器數據，則對齊就會如圖5所示。采樣開始由調制器時鐘的使能/禁用來控制。一旦使能，濾波器就會與PWM保持同步，無需再對齊。

控制時序

通過對齊PWM_SYNC脈沖響應，便可測量相電流而不會有混疊，但在讀取濾波器數據時必須十分小心。sinc濾波器在PWM_SYNC之前的τd啟動，但數據需要2 × τd的時間才能通過濾波器。換言之，必須在PWM_SYNC之后等待τd時間才能從濾波器讀取數據。只有在此刻，電流的真實平均值才可用。與基于SAR的電流測量相比，這種方法在控制時序方面不相同

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IC693CBL316   這里
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IC693PWR321CA