工作于 24V 至 60V 電壓的高性能三相逆變器在高效伺服驅(qū)動(dòng)器以及協(xié)作、手術(shù)和類人機(jī)器人等新興工業(yè)應(yīng)用中越來越受歡迎。在這些應(yīng)用中，精確可靠的相電流檢測對于實(shí)現(xiàn)平滑的扭矩和精確的位置控制至關(guān)重要。這些應(yīng)用空間非常受限，并且三相逆變器經(jīng)常集成在電機(jī)中。因此，小尺寸的薄型設(shè)計(jì)以及能夠在高達(dá) 125°C 的高溫環(huán)境下工作非常重要。

本次為大家介紹的是《適用于 48V 機(jī)器人和伺服驅(qū)動(dòng)器的高分辨率、小尺寸相電流檢測》應(yīng)用手冊。本文將介紹德州儀器新發(fā)布的AMC0106M05 和 AMC0106M25 功能隔離式調(diào)制器。

簡介

M05 型號(hào)支持 ±50mV 的線性輸入范圍，M25 型號(hào)支持 ±250mV 的線性輸入范圍。兩款器件都采用小型無引線封裝。AMC0106Mxx 器件可以使用較小的尺寸為三相逆變器設(shè)計(jì)精確可靠的分流式電流檢測子系統(tǒng)。典型應(yīng)用包括伺服驅(qū)動(dòng)器以及由低于 60V 的電源供電的協(xié)作或類人機(jī)器人。提供的是具有自舉電源（線性電流范圍為 ±50A）的 48V 三相 GaN 逆變器的電路設(shè)計(jì)和布局示例。該設(shè)計(jì)基于AMC0106M05 型號(hào)和 1mΩ 分流器。測試結(jié)果表明，實(shí)現(xiàn)了多達(dá) 14 個(gè)有效位數(shù) (ENOB) 的測量分辨率。相電流測量不受 PWM 開關(guān)影響，驗(yàn)證了對共模瞬態(tài)的高抗擾度。最后，這表明自舉電源引起的紋波電壓對于寬范圍 PWM 占空比的相電流測量沒有影響。

內(nèi)容概覽

設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)

與低側(cè)分流檢測相比，直列式相電流檢測可實(shí)現(xiàn)更高的性能、連續(xù)測量并在整個(gè) PWM 周期內(nèi)更精確地控制電機(jī)相電流。在低側(cè)分流檢測系統(tǒng)中，電流不連續(xù)，相電流只能在低側(cè)電源開關(guān)導(dǎo)通時(shí)的部分 PWM 周期內(nèi)進(jìn)行測量。這些系統(tǒng)通常會(huì)導(dǎo)致不太精確且?guī)捀偷南嚯娏鏖]環(huán)控制。因此，伺服驅(qū)動(dòng)器和機(jī)器人應(yīng)用通常選擇直列式相電流檢測。然而，相電壓經(jīng)過脈寬調(diào)制，并在 GND 和直流母線電壓（通常為 48V）之間定期切換。微控制器以 GND 為基準(zhǔn)。這意味著相電流檢測子系統(tǒng)需要處理高共模電壓和高共模瞬態(tài)。共模瞬態(tài)的壓擺率在 10V/ns 范圍內(nèi)。使用新出現(xiàn)的快速開關(guān) GaN-FET，壓擺率會(huì)明顯更高。最好在微控制器和電流傳感器之間使用數(shù)字接口，利用該接口提高信號(hào)完整性，并消除開關(guān)期間接地反彈的問題。

用于高性能伺服驅(qū)動(dòng)器的電流檢測子系統(tǒng)應(yīng)當(dāng)滿足以下要求：

高精度：優(yōu)于 1%

高分辨率：優(yōu)于 12 個(gè)有效位數(shù) (ENOB)

低傳播延遲（延時(shí)）：<20μs

高共模電壓：>60V

高共模瞬態(tài)抗擾度 (CMTI)：>>10V/ns

快速短路檢測：<2μs

具有高電磁干擾度（例如傳導(dǎo)射頻和快速瞬態(tài)突發(fā)）的數(shù)字接口

對外部磁場的抗擾度

小巧的 PCB 設(shè)計(jì)尺寸和薄型封裝

設(shè)計(jì)方法

在注重小外形尺寸和低高度的空間受限應(yīng)用中，有多種設(shè)計(jì)可用于同相電流檢測。封裝內(nèi)霍爾傳感器、帶非隔離式放大器的分流器以及帶隔離式放大器或隔離式 Δ-Σ 調(diào)制器的分流器只是其中的一部分。

1.AMC0106Mxx 功能隔離式調(diào)制器

AMC0106Mxx是功能隔離式精密二階 Δ-Σ 調(diào)制器，設(shè)計(jì)用于分流式電流檢測。M05 版本支持 ±50mV 的線性輸入范圍。M25 支持 ±250mV 的線性輸入范圍。隔離柵將在不同共模電壓電平下運(yùn)行的系統(tǒng)器件隔開。一種典型應(yīng)用是高性能伺服驅(qū)動(dòng)器中的相電流檢測。隔離柵支持高達(dá) 200VRMS / 280VDC 的工作電壓，以及高達(dá) 570VRMS / 800VDC 的瞬態(tài)過壓。

2.電路設(shè)計(jì)和布局

圖 1 顯示了使用功能隔離式調(diào)制器 AMC0106M05 (U8)（線性輸入電壓范圍為 ±50mV）和1mΩ 3W 分流器 (R39)的相電流檢測子系統(tǒng)的原理圖。1mΩ 分流電阻值決定了線性輸入范圍為 ±50A。AMC0106M05具有 ±64mV 的削波范圍，因此最大電流范圍為 ±64A。分流器在 35ARMS 時(shí)的功耗為 1.25W。

圖 1：使用 LMG2100R44 自舉電源的

AMC0106M05 原理圖

3.Sinc3濾波器設(shè)計(jì)

為了進(jìn)行測試，在 TMS320F28379D 實(shí)時(shí)微控制器上實(shí)現(xiàn)了 sinc3濾波器。Sinc3濾波器是一種具有恒定傳播延遲（群延遲）的有限脈沖響應(yīng) (FIR) 濾波器。傳播延遲取決于正弦濾波器階數(shù)、采樣時(shí)鐘頻率和過采樣率 (OSR)。

測試和驗(yàn)證

1.測試設(shè)置

圖 2 中顯示了測試設(shè)置圖片。左側(cè)是總體設(shè)置，顯示三相 GaN 逆變器的頂視圖。右側(cè)顯示了 PCB 底部 AMC0106M05 的放置區(qū)域。

在以下測量中，使用相位符號(hào) U、V、W，而非 PCB 設(shè)計(jì)和原理圖中使用的 A、B、C 相位符號(hào)。例如，原理圖中的 C 相等于測量結(jié)果中的 W 相。

圖 2：測試設(shè)置圖片

2.數(shù)字接口

圖 3 顯示了數(shù)字接口的時(shí)序。AMC0106M05的時(shí)鐘頻率為 20MHz。新數(shù)據(jù)位是時(shí)鐘上升沿上的輸出。時(shí)鐘上升沿與數(shù)據(jù)上升沿（或下降沿）之間的典型延遲為 22ns。

圖 3：數(shù)字接口時(shí)序

3.直流精度、噪聲和有效位數(shù)

執(zhí)行了一系列測試，以量化不同過采樣率和負(fù)載電流條件下的測量噪聲和相應(yīng)的有效位數(shù) (ENOB)。通過在 1200個(gè) PWM 周期內(nèi)從 10kHz PWM 的中心測量 1200 個(gè)連續(xù)樣本來計(jì)算 ENOB。PWM 矢量在測試期間保持恒定。

4.PWM 抑制

執(zhí)行了一系列測試，以量化 PWM 開關(guān)期間共模電壓瞬態(tài)對 AMC0106M05 測量精度的影響。

5.自舉電源驗(yàn)證和 AVDD 紋波抑制測試

結(jié)語

德州儀器新發(fā)布的AMC0106Mxx 系列功能隔離式調(diào)制器是一款超小的電隔離式調(diào)制器。AMC0106Mxx采用小型無引線封裝，可實(shí)現(xiàn)高精度、低噪聲相電流檢測，設(shè)計(jì)尺寸比目前可實(shí)現(xiàn)的尺寸小得多。AMC0106Mxx 具有高共模電壓瞬態(tài)抗擾度、出色的電源抑制能力、MCU 數(shù)字接口以及固有的磁雜散磁場抗擾度，可確保即使在 PWM 開關(guān)過程中也能進(jìn)行準(zhǔn)確的電流測量。AMC0106Mxx 支持高達(dá) 125°C 的環(huán)境工作溫度范圍，非常適合空間受限的電機(jī)集成式 60V 以下三相逆變器設(shè)計(jì)。典型應(yīng)用包括 48V 伺服驅(qū)動(dòng)器以及協(xié)作或類人機(jī)器人，在此類應(yīng)用中，高性能且穩(wěn)健的電流測量和小外形尺寸至關(guān)重要。