三相电机控制中不同电流采样方式对于ADC转换速度的要求

NXP管管 · 发表于 2020-3-26 10:00:49

三相电机控制中不同电流采样方式对于ADC转换速度的要求

三相电机控制方案种类繁多，其中ADC的转换速度是MCU选型的重要考核指标。
但究竟多快的ADC转换速度才能满足设计需求，仿佛没有明确的标准。

本文针对不同种类的电流采样方式，分别讨论了它们对ADC转换速度的要求，本文还分析了ADC的速度对系统性能的影响。

一、电流采样方式有哪些

根据采样元件的不同，可分为分流电阻(shunt resistor)和霍尔(Hall)电流采样两大类。

根据隔离方式的不同，又可分为隔离采样和非隔离采样，例如分流电阻+运放和分流电阻+线性光耦；根据采样点数的不同，还可以分为单电流采样，双电流采样和三电流采样等。

以上述三种分类方式从不同的侧面对电流采样种类进行区分，在实际的应用中，设计者会根据逆变器输出电压，行业安规以及方案性价比等多方面折衷考虑，选择不同组合，而不同组合也会显著地影响方案对ADC转换速度的需求。

笔者通过对常见行业应用简单的分析，发现它们对电流采样的组合有如下使用惯例，如下表所示。

行业应用中常见电流采样方式

二、电流采样窗口是影响

ADC转换速度需求的重要因素

在三相电机控制中，对于ADC转换速度的需求，笼统地说当然是越快越好，但ADC速度越快就意味方案成本越高。
那么ADC速度多少才合适？如果ADC速度较慢，对系统性能又有什么影响呢？理论上有以下几种说法：

ADC速度太慢，占用了太长时间，会影响CPU的计算时间
这个说法在电机控制中并不完全可信。因为即使一个ADC的转换频率只有200KHz，它的转换周期也只需要5uS，而多数电机控制的周期都在50uS~200uS之间，5us以内的ADC转换并不会占用太久时间。当然，数字电源的开关周期很短，很多在10us左右，此时ADC转换速度的影响就很大。

ADC速度太慢，多个采样值顺序采样会影响同步性，并引入额外的误差
   如果采用一个ADC进行多点的采样，确实会有这样的问题，而且ADC速度越慢影响就越大。
   对于单个电机的控制，采用双独立的ADC是解决这个问题的最好办法。同时触发两个ADC采样，同时读取结果，既解决了电流采样同步性的问题，也缩短了整体采样时间。此时ADC的转换速度就不是关键因素了。
   在有些方案中除了相电流，还要进行母线电压采样，但母线电压采样本来就需要一定的滤波，不存在同步问题，所以它对ADC速度的要求也不高。对于多电机控制，推荐岔开控制周期相位，分时复用ADC，从而保证每个电机控制中电流采样的同步性问题。

更多详细信息请参考文档DRM152。

ADC转换速度太慢，逆变器输出电压空间不足
   对于仅采样电机电流/直流供电电压的电机控制应用，逆变器输出电压空间不足，会造成电机高转速下输出功率不够等问题。这一问  题也的确和ADC转换速度有关。而两者之间的关联，要从电流采样时刻说起。
   为了减小开关噪声对电流采样的干扰，必须使得电流采样的时机避开功率管开关的时刻。所以在不考虑PWM纹波的情况，可用于电流采集的时间窗口为在一个功率管开通/关断之后延时t_delay开始，并在下一个功率管动作前结束。这里的t_delay包含了输出电压建立时间t_onoff, 开关噪声振荡衰减时间t_noise和死区时间t_deadtime等。根据不同功率器件的特性，驱动电路参数配置及电路板布线设计的不同情况, 无法统一给出这三者之和t_delay的大小，一般为1us~3us不等。
所以稳定的电流采样需要开关电平保持的最小时间窗口t_limit为t_delay和t_window之和。

图1. 功率管开关时刻驱动门级/桥臂输出/分流电阻电压波形

如图1所示，以下桥臂分流电阻为例，红框为不可采样的区间，绿框为可采样窗口。设t_duty为下桥臂占空比，显然，如果t_adc <= t_duty – t_delay,则可以正常采样；反之，则不能。(这里t_adc应该包含转换时间，而非仅采保时间，因为有些情况下，开关噪声甚至会影响到片上ADC的参考电压)。
因此，ADC的转换速度直接影响了输出占空比的范围，而在三相电机的控制中，也就影响了输出电压空间的大小。

三、不同采样方式对于

输出电压空间的影响

单电阻非隔离
由于单电阻的采样方式，只能在有效矢量作用时间T1和T2中测量，因此采样窗口的要求就转换为有效时间作用时间的要求。
如图2所示，只能在开关状态为100和110的区间内采样。

图2. 单电阻电流采样窗口示意图

图3. 单电阻采样电压矢量输出区域

当两个有效矢量中有一个或者两个的时间都比较短，则不能满足ADC采样的需求。这种情况通常发生在输出电压矢量在扇区切换边界时发生，或者输入电压很小时。图3中灰色部分表示不能输出的区域。显然，t_limit的大小决定了阴影部分的面积。

双电阻非隔离/双电阻隔离/双霍尔隔离
不同的双电流采样方法都选用两相电流固定采样，第三相电流通过前两项之和的相反数得到。

假设采样A/C两相，如图4所示，当输出最大电压矢量时，A/B/C相的占空比都会有接近于0的情况。这样在30°/90°时，C相电流无法采样；在150°/210°时，A相电流无法采样。采样时必须考虑t_limit，缩小对应占空比，才能留出足够的采样窗口。

图4. 双电流采样占空比范围限制

加入限制后的电压矢量空间，即图5中的灰色部分就无法达到，之所以这里采用两倍的t_limit，是因为考虑了7段式PWM，要保证000和111区的时间相同。

图5. 双电流采样电压矢量输出范围

双电流采样方法可以是隔离式的，也有非隔离的。隔离采样相比较非隔离而言，主要优势是通道之间相互影响的开关噪声更小。另外，由于采用隔离的方案，有些隔离器件对动态加减速性能/高速输出范围有更高要求，因此允许的采样窗口也会更小。
三电阻非隔离
三电阻采样，可以根据不同扇区，选取下管占空比较大的两相进行采样，从而避免了两电流采样中所采两相占空比不能为0的情况。

但有必要研究三电阻采样中，是否一定可以输出最大的六边形电压矢量。观察后可见，处于图6中三个圈中位置时，会存在两相占空比相同的情形，此时需要选择其中一相和另外第三相进行采样。经过计算，这种情况下，下管占空比为0.067.

图6. 三电阻采样方式中采样窗口最小位置

对于目前一般应用中最高20KHz的开关频率，在电流采样前后的下管导通时间为t_duty = 50us * 0.067 = 3.35us。如果再去除不可采样区间t_delay,大约只剩下1us左右的采样窗口。
因此只有大于1Msps的双ADC配置, 才能满足最大电压矢量空间输出的要求。

四、在不同行业应用中

NXP的MCU及ADC特点

下表列举出针对不同行业需求所推荐的MCU型号及其ADC资源。

对于低成本应用，所推荐的MKE14Z虽然只有1个ADC转换单元，但其较快的转换速度可以满足较低频率的同步采样需求。

对于低压伺服或标准伺服应用，一般需要两个独立的ADC以保证精准的同步采样, MKV42F和i.MX RT10xx系列都是很好的选择。
与MKV42F相比，RT10xx具有强大的运算性能较好的成本优势，但它的ADC采样速度较低，如果输出电压范围较大，需要使用三电流采样。
对于通用变频器和家电应用领域，设计者会对DSP平台更加青睐，其内置的PGA也可以节省片外调理电路，有效降低成本，但对PCB 布板设计有一定的要求。

不同行业推荐MCU型号及ADC特点

五、总结

电流采样窗口是影响ADC转换速度需求的重要因素。
对于不同的电流采样方式，采样窗口的临界值出现在不同的输出电压矢量角度上。
对于相同的ADC转换速度和硬件条件，三电阻采样方式能输出最大的电压矢量。
ADC转换速度低，可能导致无法输出过低或过高的电压矢量，进而影响电机的功率范围。
NXP的MCU家族有着完善的产品系列，可满足不同方案的需求。

作者：庄超文章出处：恩智浦MCU加油站

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