ADI優勢信號鏈技術方案助推國產伺服控制系統的崛起

ADI公司

現代工業自動化與運動控制的支撐性技術——伺服系統，在過去幾十年中，中國本土企業實現了從起步到全面擴張的發展態勢，例如數控系統企業中的廣州數控、華中數控，電機和驅動企業中的南京埃斯頓、桂林星辰、東元、珠海運控、和利時電機、蘭州電機廠，運動控制相關企業中的深圳步科、杭州中達，乃至以變頻器為龍頭產品的臺達、匯川、英威騰等企業都已紛紛投身伺服產業并實現了批量化生產，而且占據了中低端市場的絕大部分市場份額，如今更是雄心勃勃地向中高端市場邁進，無不挑動著國際老牌工控巨頭的神經。不過，西門子、安川、松下等國外領先供應商也開始大打“性價比”牌，以吸引更多客戶，撼動其在中高端市場的地位并非易事。

欲進軍中高端，中國開發者首先應該從哪個方面進行突破呢？答案是：提高伺服驅動的精度和可靠性。ADI公司行業市場經理張松剛(Singer Zhang)指出：“伺服驅動解決方案與運動系統實現最高性能和精度密切相關。多數情況下，最終的應用是一個高精度數控機床系統、運動控制系統或機器人系統，這些系統要求能夠精確控制位置及電機扭矩對準性能最佳。”

1 伺服控制系統設計考慮和挑戰的應對

Singer進一步分析了伺服驅動控制系統的設計趨勢和主要挑戰：

(1)在伺服控制中，高精度電流和電壓檢測可提高速度和扭矩控制性能，這要求12 bit以上的性能及多通道的ADC。

(2)位置檢測性能是伺服控制的關鍵，常常使用光學編碼器和旋轉變壓器作為位置傳感器。伺服控制技術從模擬向數字的轉換推動了現代伺服系統的發展，也滿足了對于電機控制的性能和效率的高要求。

(3)從優先考慮安全和保護的角度，信號采樣和功率器件驅動應采用隔離技術。

(4)使用DSP等高性能處理器可實現矢量控制和無傳感器控制。

(5)與很多工業應用設計一樣，長生命周期和高可靠性的IC產品是伺服控制系統工程師的首選。

(6)普通的交流感應電機向永磁同步電機轉變已是大勢所趨，要求系統設計師能提供更高效率和更靈活的算法。

現代伺服控制系統信號鏈的關鍵組成部分包括反饋和檢測、隔離、電源管理、接口、嵌入式處理和通信等。Singer特別強調了位置檢測電路、電流/電壓檢測的良好隔離、處理器以及設置點和通信接口支持對高性能伺服系統的重要意義。在位置檢測和電流電壓檢測或隔離電路中，采用12 bit以上精度的ADC取代10 bit精度的ADC，從而大幅提高整個系統的精度和性能。高端伺服應用需要更高效、更復雜的算法，目前100～150 MHz的DSP/MCU會顯得捉襟見肘，而ADI公司最新推出的400 MHz Blackfin DSP則能很好地滿足需求。中高端伺服系統未來將逐步支持工業組網，因此ADI公司的種類齊全的iCoupler創新數字隔離接口方案(可支持Profibus/485/CAN等多種標準制式)可幫助客戶輕松實現伺服系統與工業網絡的連接。

2 高性價比RDC實現高精度位置檢測

伺服系統一般具有速度環、電流環（力矩）、位置環三個閉環，其中最復雜的閉環控制當屬位置環，對精度、可靠性都有很高的要求。以往采用的光電編碼位置檢測方案具有體積小、精度高、無接觸及無磨損的優點，但缺點是對環境要求高，不適合高溫潮濕的工業應用場合。作為另一種常見的位置/速度檢測方案，旋轉變壓器(旋變)數字轉換器(RDC)具有抗震性好、耐腐蝕、耐高溫和易實現高速位置檢測的優點，被越來越廣泛地用于汽車和工業應用中。

Singer介紹說，ADI公司具有最優性價比的高精度旋變數字轉換器（以下簡稱旋變器）系列 AD2S1210，可提供最高達16 bit的分辨率，并集成了片上可編程正弦波振蕩器，為旋變器提供正弦波激勵。該轉換器的正弦和余弦輸入端允許輸入3.15 Vp-p±27%、頻率為2 kHz～20 kHz范圍內的信號。最大跟蹤速率為3 125 r/s。對于惡劣的工作環境，AD2S1210（C級和D級）的額定溫度范圍為-40℃～+125℃范圍的擴展工業溫度范圍。

AD2S1210適合的應用包括(但不限于)直流和交流伺服電機控制、編碼器仿真、電動助力轉向、電動汽車、集成的啟動發電機/交流發電機以及汽車運動檢測與控制。為幫助工程師更快、更好地完成產品選型和系統設計，ADI公司還提供基于AD2S1210特別設計和測試的實驗室電路（編號CN192，詳情可登錄ADI公司官方網站查詢）。

RDC與旋轉傳感器配合使用，以便檢測電機軸的位置和轉速。在這種應用中，旋變器利用正弦波參考信號進行激勵。初級繞組上的旋變器激勵參考信號被轉換為正弦波和余弦波兩個正弦差分輸出信號。正弦波和余弦波信號的幅度取決于實際的旋變器位置、旋變器轉換比和激勵信號幅度。RDC同步采樣兩個輸入信號，以便向數字引擎（即所謂Type II跟蹤環路）提供數字化數據。Type II跟蹤環路負責計算位置和速度。

3 創新的數字式高壓安全隔離技術——iCoupler

在伺服系統通信接口部分的模擬輸入信號隔離電路以及電流檢測的隔離ADC中，一種全新的數字隔離技術躍入眼簾，即ADI的iCoupler專利技術，可實現數千伏的隔離，完全可滿足伺服系統高壓安全隔離的要求。

iCoupler技術是基于芯片尺寸的變壓器，每個iCoupler通道都由CMOS接口電路和芯片級的變壓器兩部分組成。而iCoupler隔離變壓器的核心正是這個能夠穿越隔離阻障并發射與接收信號的平面變壓器。它們不僅能夠提供隔離，而且消除了以往常用的光耦隔離器中光電轉換的缺點，包括功耗過大、時序誤差較大和數據速率受限等。事實上，由于無需驅動LED的外部電路，iCoupler數字隔離器功耗僅為光電耦合器的1/10～1/50。

已被不少本土領先伺服控制系統廠商用作電流檢測隔離ADC的AD7400A是一款二階Σ-Δ調制器，其片上的數字隔離采用ADI公司的iCoupler技術，能將模擬輸入信號轉換為高速1 bit數據流。ADI提供了基于AD7401和其他iCoupler隔離器產品的低成本模擬/模擬隔離器完整實驗室電路（編號 CN0185），應用包括交流電機控制、電流監控、數據采集系統以及各種可替代ADC加光隔離器的隔離系統。圖1所示為完整的模擬/模擬隔離器，可提供 2 500 Vrms的隔離值（1 min，符合 UL 1577標準）。其中ADuM5000是一款基于ADI公司 iCoupler技術的隔離式DC/DC轉換器，用于為電路的隔離端（包含AD7400A）提供電源，兩端完全隔離，系統僅使用一個電源。

Singer介紹說，ADI公司提供的單封裝iCoupler數字隔離器系列是業界種類最齊全的隔離器產品。除了上述隔離式Σ-Δ型ADC、采用isoPower的隔離式 DC/DC轉換器之外，還包括標準數字隔離器、集成PWM控制器和變壓器驅動器的數字隔離器、USB 2.0兼容型隔離器、隔離式門驅動器、隔離式I2C數字隔離器、隔離式RS-485收發器、隔離式RS-232器件等。ADI提供各種制式的隔離接口方案，可滿足未來各種中高端伺服系統支持工業組網的需求。