近年來(lái),我國(guó)工業(yè)自動(dòng)化體系持續(xù)升級(jí),工業(yè)電機(jī)與伺服驅(qū)動(dòng)行業(yè)步入高速發(fā)展期。伺服技術(shù)的規(guī)模化應(yīng)用,顯著提升了傳統(tǒng)裝備性能與生產(chǎn)效率。伴隨制造業(yè)向高端化、精密化轉(zhuǎn)型,工業(yè)電機(jī)及伺服驅(qū)動(dòng)的應(yīng)用場(chǎng)景不斷拓展,已深度覆蓋工業(yè)機(jī)器人、高端裝備制造等新興領(lǐng)域。電流采樣作為伺服系統(tǒng)的核心反饋環(huán)節(jié),其響應(yīng)速度與采樣精度,直接決定伺服系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能與控制品質(zhì)。

圖1在伺服驅(qū)動(dòng)器中使用Σ-Δ 調(diào)制器進(jìn)行電流感測(cè)
在多種電流采樣方案中,sigma-delta(Σ-Δ)數(shù)字采樣憑借高隔離性、高精度、強(qiáng)抗干擾性與優(yōu)異溫漂特性脫穎而出。中科本原系列 DSP 實(shí)時(shí)控制器內(nèi)置的Sigma Delta Filter Module(SDFM),正是面向高端伺服與電機(jī)控制場(chǎng)景設(shè)計(jì)的專用高性能外設(shè),可幫助用戶高效實(shí)現(xiàn)高性能 Σ-Δ 采樣。本文將詳細(xì)解析 SDFM 的工作原理、核心功能及其在實(shí)際工程中的應(yīng)用價(jià)值。
SDFM外設(shè)的核心功能
SDFM(Σ-Δ濾波器模塊)是一種四通道數(shù)字濾波器,專為工業(yè)控制中的電流測(cè)量和位置解碼而設(shè)計(jì)。其核心目標(biāo)是通過(guò)高效處理Σ-Δ調(diào)制器輸出的比特流,實(shí)現(xiàn)高精度、低噪聲的數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換,同時(shí)滿足工業(yè)場(chǎng)景中對(duì)高電壓隔離邊界的安全需求。
具體而言,SDFM的每個(gè)輸入通道可獨(dú)立接收一個(gè)Σ-Δ調(diào)制器的比特流數(shù)據(jù)和時(shí)鐘信號(hào)(SD-Dx和SD-Cx引腳),并通過(guò)數(shù)字抽取濾波器(Sinc1/Sinc2/SincFast/Sinc3)將高頻比特流轉(zhuǎn)換為低頻數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)。這一過(guò)程不僅保留了原始模擬信號(hào)的關(guān)鍵信息,還能通過(guò)數(shù)字濾波有效抑制高頻噪聲,提升信噪比。
Sigma-delta(Σ-Δ調(diào)制)的工作原理
如圖為典型的一階sigma-delta調(diào)制器,其基本組成包含一個(gè)積分器,一個(gè)1-bit ADC以及一個(gè)1-bit DAC。該回路中,輸入信號(hào)與DAC反饋信號(hào)做差,并送入積分環(huán)節(jié)當(dāng)中。積分環(huán)節(jié)輸出與一個(gè)給定的參考電壓比較,通過(guò)1-bit ADC生成高或低的高頻1-bit數(shù)字信號(hào)。該數(shù)字信號(hào)再經(jīng)過(guò)反饋環(huán)節(jié)的DAC 生成模擬信號(hào)作為輸入信號(hào)的反饋,當(dāng)環(huán)路趨于穩(wěn)定,則數(shù)字輸出的平均值將跟隨模擬輸入信號(hào),從而達(dá)到將輸入的模擬信號(hào)調(diào)制為數(shù)字信號(hào)的目的。

圖2Sigma-Delta調(diào)制器
更易實(shí)現(xiàn)隔離:目前高壓電力電子設(shè)備普遍采用隔離型電流采樣,特別是隨著業(yè)界功能安全標(biāo)準(zhǔn)的普及,隔離采樣也越發(fā)成為許多工業(yè)、汽車產(chǎn)品的首選方案。由于sigma-delta調(diào)制技術(shù)先天輸出高頻數(shù)字信號(hào),因此非常適合應(yīng)用于隔離型的采樣器件當(dāng)中。
更易實(shí)現(xiàn)高精度:常見(jiàn)sigma-delta調(diào)制器的時(shí)鐘頻率通常高達(dá)幾十Mhz,其頻率遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于被采樣的電力電子系統(tǒng)中的模擬信號(hào)(例如電機(jī)相電流等),較高的過(guò)采樣率可以使采樣的奈奎斯特頻率遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于信號(hào)頻率,從而減少信號(hào)的混疊現(xiàn)象;此外,通過(guò)較高的過(guò)采樣倍數(shù),sigma-delta調(diào)制器將量化噪聲分布到了更高的頻率上,減少了低頻段的噪聲分布,從而可以通過(guò)數(shù)字濾波器將更多的噪聲濾除;在此基礎(chǔ)上,可以發(fā)現(xiàn)對(duì)于輸入信號(hào)積分器相當(dāng)于一個(gè)低通濾波,而對(duì)于量化噪聲信號(hào),積分器則充當(dāng)了一個(gè)高通濾波的作用。由此,在sigma-delta調(diào)制中,噪聲在頻域上將呈現(xiàn)類似“高通”分布的特性,即實(shí)現(xiàn)了“噪聲整形”。 由此,配合后級(jí)的數(shù)字濾波器(Sinc等低通濾波器),sigma-delta調(diào)制可以有效濾除更多的高頻噪聲成分,從而提升信號(hào)的信噪比,達(dá)到更高的有效位數(shù)。
SDFM外設(shè)結(jié)構(gòu)和工作原理
作為定位高性能的實(shí)時(shí)控制MCU,中科本原DSP系列有多款產(chǎn)品針對(duì)工業(yè)控制應(yīng)用集成了SDFM,內(nèi)置了多路Sinc型濾波器,可單芯片配合調(diào)制器實(shí)現(xiàn)sigma-delta隔離采樣。 如圖為SDFM模塊基本功能框圖。以R0049為例,SDFM具有四路濾波器單元,每個(gè)單元又包含以下主要功能:
-輸入控制單元:主要用于進(jìn)行調(diào)制器輸入信號(hào)時(shí)序模式選擇,支持曼徹斯特編碼。
-主濾波模塊(數(shù)據(jù)濾波):用于對(duì)調(diào)制器輸入信號(hào)進(jìn)行濾波得到采樣結(jié)果,支持sinc1-3以及SincFast 型濾波,最高OSR=256。
-副濾波模塊(比較濾波):用于對(duì)調(diào)制器輸入信號(hào)進(jìn)行快速濾波并進(jìn)行保護(hù),內(nèi)置高低限幅比較器,同樣支持上述集中濾波器類型。但為了提高轉(zhuǎn)換速度,最高OSR=32。
在同一濾波單元中,主副濾波單元功能完全獨(dú)立,可分別配置各自工作參數(shù),可以根據(jù)實(shí)際引用來(lái)靈活配置。

圖3SDFM功能框圖
下圖為濾波單元的框圖,主要包含以下幾個(gè)部分:

圖4SDFM數(shù)據(jù)濾波單元
-數(shù)據(jù)濾波單元: 數(shù)據(jù)濾波部分,是濾波單元的核心,通過(guò)內(nèi)置Sinc濾波器將輸入的數(shù)據(jù)BIT流轉(zhuǎn)換成數(shù)字結(jié)果。
-SDSYNC 同步功能:濾波器可以由PWM SOC事件同步。同步發(fā)生后,濾波器內(nèi)部的OSR 計(jì)數(shù)器將會(huì)被清0,從而保證多路SDFM模塊之間的同步,或滿足特定的采樣時(shí)序要求(避開(kāi)開(kāi)關(guān)瞬間的波動(dòng)等)。可通過(guò)SDSYNCx.SYNCSEL選擇同步源。
-數(shù)據(jù)FIFO:由于SDFM常常工作在10M以上的頻率上,相應(yīng)地也在以較高的頻率產(chǎn)生轉(zhuǎn)換結(jié)果。 為了適應(yīng)較大的數(shù)據(jù)量,數(shù)據(jù)濾波器中內(nèi)置了16級(jí)FIFO。實(shí)際應(yīng)用中通常配置SDFM在收到指定數(shù) 量(SDFIFOCTLx.FFIL)的采樣結(jié)果后觸發(fā)數(shù)據(jù)ready中斷,以讀取采樣結(jié)果并進(jìn)行環(huán)路計(jì)算。
SDFM外設(shè)的核心優(yōu)勢(shì)
SDFM的設(shè)計(jì)融合了工業(yè)場(chǎng)景的關(guān)鍵需求,其優(yōu)勢(shì)主要體現(xiàn)在以下三個(gè)方面:
1.高精度與抗干擾能力
Σ-Δ調(diào)制器的高過(guò)采樣率(OSR)和噪聲整形特性,使得SDFM能夠有效濾除高頻噪聲。例如,配合TI的Σ-Δ調(diào)制器AMC1306,使用OSR=256和Sinc3濾波器時(shí),可實(shí)現(xiàn)24位以上的有效精度,遠(yuǎn)超傳統(tǒng)霍爾傳感器的性能。這一特性在電機(jī)相電流采樣中尤為重要,能顯著提升控制系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)和穩(wěn)定性。
2.簡(jiǎn)化高電壓隔離設(shè)計(jì)
工業(yè)設(shè)備中,電流采樣常需跨越高電壓隔離邊界(如驅(qū)動(dòng)器與主控板之間的隔離)。Σ-Δ調(diào)制器輸出的高頻數(shù)字信號(hào)天然適合通過(guò)電容或磁隔離介質(zhì)傳輸,而SDFM作為解碼模塊,無(wú)需額外模擬調(diào)理電路,降低了設(shè)計(jì)復(fù)雜度。中科本原DSP芯片的SDFM直接支持這類隔離信號(hào)的處理,成為實(shí)現(xiàn)功能安全(Functional Safety)的優(yōu)選方案。
3.靈活配置與成本效益
SDFM模塊支持多路獨(dú)立配置,每個(gè)通道的濾波器類型(Sinc1/Sinc2/SincFast/Sinc3)、OSR值(比較器OSR范圍1-32,數(shù)據(jù)濾波器OSR范圍1-256)、時(shí)鐘模式(模式0-3)均可編程調(diào)整。同時(shí),其旁路模式允許用戶直接記錄原始比特流,便于后續(xù)分析或自定義濾波算法。這種靈活性不僅減少了對(duì)外部FPGA/CPLD的依賴(傳統(tǒng)方案需額外硬件處理Σ-Δ信號(hào)),還降低了系統(tǒng)成本,適合中低端伺服驅(qū)動(dòng)、工業(yè)電機(jī)等對(duì)成本敏感的應(yīng)用。
結(jié)語(yǔ):SDFM——工業(yè)控制的“小而強(qiáng)”
中科本原DSP芯片的SDFM外設(shè),憑借其高精度、易隔離、低成本的特性,已成為電機(jī)控制、伺服系統(tǒng)等領(lǐng)域的關(guān)鍵技術(shù)。它不僅簡(jiǎn)化了隔離采樣的硬件設(shè)計(jì),還通過(guò)可編程濾波器和同步功能,為復(fù)雜工業(yè)場(chǎng)景提供了靈活、可靠的解決方案。
對(duì)于工程師而言,掌握SDFM的配置與優(yōu)化方法,是提升系統(tǒng)性能的關(guān)鍵一步。未來(lái),隨著工業(yè)自動(dòng)化向更高精度、更安全的方向發(fā)展,SDFM的應(yīng)用潛力將進(jìn)一步被挖掘。
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原文標(biāo)題:DSP芯片的SDFM外設(shè):高精度采樣的“得力助手”
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