<listing id="5bf7d"><dfn id="5bf7d"><progress id="5bf7d"></progress></dfn></listing><p id="5bf7d"><form id="5bf7d"></form></p>
    <p id="5bf7d"><track id="5bf7d"><strike id="5bf7d"></strike></track></p>
    <track id="5bf7d"><big id="5bf7d"><progress id="5bf7d"></progress></big></track>

        <rp id="5bf7d"></rp>

        <em id="5bf7d"></em>

            <b id="5bf7d"></b>

            新聞中心

            EEPW首頁 > 模擬技術 > 設計應用 > 基于EG4A20BG256和AD7403的電流采樣電路設計

            基于EG4A20BG256和AD7403的電流采樣電路設計

            作者:李紹軍,陳國勝,呂國民 (北方信息控制研究院集團有限公司,南京 210000)時間:2021-08-02來源:電子產品世界收藏
            編者按:AD7403是一種Σ-Δ型模數轉換器,廣泛應用于需要電氣隔離的伺服控制電機相電流采集場合。EG4A20BG256是一種國產FPGA,適用于伺服控制系統信號采集﹑接口擴展等應用場景。本文基于EG4A20BG256 FPGA設計了AD7403模數轉換器接口電路,采集永磁同步電機相電流,并與伺服控制電路內霍爾電流傳感器和DSP采樣結果進行了對比。結果表明,EG4A20BG256 FPGA可以通過AD7403模數轉換器實現對永磁同步電機相電流的準確采集。

            作者簡介:李紹軍(1989—),男,碩士,工程師,研究方向為光電云臺伺服。

            本文引用地址:http://www.archiactvr.cn/article/202108/427286.htm

            0   引言

            電流環是控制系統速度環和位置環的基礎,對控制系統實現快速響應﹑提高動態性能有重要的影響。電流環的實現依靠模數轉換電路完成對電機相電流的采集,在很多電機驅動場合,出于降低干擾提高采樣精度或是保證電路安全的考慮,需要在驅動電路和信號處理電路間有電氣隔離,常見的隔離式電流采集電路有三種基本形式:霍爾電流傳感器結合運算放大器﹑采樣電阻結合隔離式運算放大器﹑采樣電阻結合Σ-Δ型模數轉換器 [1]。前兩種方式一般需要結合電機驅動電路控制器(如)的ADC 外設進行處理,后者則需要通過 或具有Δ-Σ調制器的控制器進行處理。電流環會對采集到的電流進行一系列的數學運算處理,相比 串行運算結構, 的并行運算結構可減小電流環路延時,提高電流環帶寬,進而提高速度環響應速度[2]。在需要過采樣以及高于16 bit 分辨率的模數轉換器的應用領域,Σ-Δ型模數轉換器相比傳統逐次逼近式模數轉換器具有很大優勢,應用也更為廣泛[3]。文中通過國產 結合采樣電阻以及Σ-Δ型模數轉換器對相電流進行了采樣,并同時采樣了霍爾電流傳感器結合運算放大器的結果,以便對采樣結果進行分析對比。

            1627891344741154.png

            1   硬件設計

            實驗電路組成結構如圖1 所示。 通過門極驅動電路與三相橋電路驅動永磁同步電機勻速轉動,-8 為 的8 腳封裝, 通過采集永磁同步電機電樞回路采樣電阻端電壓,輸出數字碼流給 FPGA 解碼處理,處理結果發送給DSP;同時DSP 通過霍爾電流傳感器采集永磁同步電機相電流,并經運算放大電路信號調理后通過其內部ADC 模塊進行采集作為對比樣本。

            是安路科技推出的一款EAGLE 系列國產低成本FPGA,有19 600 個LUT 單元﹑ 156 800 kbit存儲器﹑ 196 個用戶I/O 口﹑ 4 個PLL ﹑還有1 個ADC模塊和多個LVDS 接口,非常適合伺服控制應用領域[4]。 是一款高性能數字隔離式模數轉換器,內置二階Σ-Δ型調制器,可以將模擬信號轉換為高速單個位數據流,滿輸入量程為± 320 mV,可通過調整輸入端采樣電阻的大小實現采樣電流量程的靈活調整。AD7403-8 采樣電路如圖2 所示。其兩側供電電源相互獨立隔離,右側3.3 V 電源與B0305T 隔離式電源轉換器共用,左側5 V 隔離電源由B0305 輸出提供。左側VIN+ 和VIN- 引腳通過差分濾波電路采集電機電樞回路采樣電阻兩端的端電壓。AD7403-8 將采樣電壓轉換為一組占空比與電壓值相關的碼流,接收EG4A20BG256 FPGA 提供的碼流時鐘,并將碼流發送至FPGA 處理。

            1627891364996932.png

            圖2 AD7403-8采樣電路

            2   軟件設計

            Σ-Δ型模數轉換器工作的基本思想是采用高速﹑低位數(如1 位)的模數轉換器來實現低速﹑高位數的模數轉換器[5]。AD7403-8 內部通過二階調制器將采樣電壓轉換為對應的數字碼流,為重構原始電壓信息,EG4A20BG256 FPGA 需要使用sinc3 濾波器對該碼流進行數字濾波和抽取處理。抽取率與模數轉換器吞吐速率和輸出數據位數相關,本次使用的碼流濾波解碼模塊抽取率為256,AD7403-8 輸入時鐘設置為10 MHz,則其最大數據吞吐速率為:

            1627891460724150.png

            其中,fmclk 為模數轉換器輸入時鐘,DR 為抽取率;

            最大轉換位數為:

            1627891528879821.png

            其中,N為sinc 濾波器階數,此處取值為3,DR為抽取率;

            此處僅取高16 bit 作為轉換結果。上電后FPGA 啟動碼流濾波模塊,由于需要和DSP 采樣結果進行對比,FPGA 采樣時刻需要與DSP 輸出PWM 周期進行同步匹配,當到其PWM 周期時,將FPGA 采樣觸發信號置高并發送給FPGA;FPGA 啟動延時直到延時時間到達后啟動采樣,保證FPGA 與DSP 在PWM 周期中心時刻同步進行采樣;待濾波解碼模塊輸出完成標志后,將采樣結果通過串口發送至DSP。DSP 輸出PWM 頻率設置為10 kHz,當前AD7403-8 最大吞吐速率遠高于PWM頻率,可滿足采樣需求,FPGA 工作流程如圖3 所示。

            image.png

            FPGA 開發環境為Anlogic TD 5.0.2 64-Bit,FPGA資源消耗情況如圖4 所示。

            image.png

            圖4 FPGA資源消耗

            3   實驗分析

            在電機輸入端給定電機固定電壓,霍爾傳感器經DSP 處理,AD7403-8 經FPGA 處理采樣到的電機電樞電流,如圖5 所示。

            image.png

            (a)0 A電流采樣對比

            image.png

            (b)3.22 A電流采樣對比

            圖5 固定電流采樣對比

            由AD7403 手冊[6] 可知其輸出單位碼流占空比如表1 所示。

            image.png

            采樣電阻端電壓和輸出碼流占空比關系如式(3)所示:

            1627891785297194.png

            其中,x 為輸入電壓;y 為對應的占空比;

            AD7403-8 輸入端采樣電阻為50 m Ω ,如圖6 所示,AD7403-8 采樣電流分別為0 A 和3.22 A,即輸入端電壓分別為0 mV 和161 mV,參見圖6 的時鐘和數據波形圖。其中,通道1 為時鐘波形,通道2 為數據波形。0 mV 時數據碼流占空比為50%,161 mV 時數據碼流占空比為75.16%,占空比符合式(3)。

            驅動電機勻速轉動,霍爾傳感器經DSP 采集,AD7403-8 經FPGA 處理采集到的電機電樞電流如圖7所示。

            1627891849511277.png

            (a)0 mV電壓對應數據碼流占空比

            1627891878799706.png

            (b)161 mV電壓對應數據碼流占空比

            圖6 固定電壓數據碼流占空比

            image.png

            圖7 霍爾電流傳感器和AD7403-8動態電流采集對比

            通過兩種方式對上述靜態和動態電流采集情況對比可見,EG4A20BG256 FPGA 和AD7403-8 配合有助于獲得更高精度和更低噪聲的采樣結果,提升電流環的性能。

            4   結論

            本文利用EG4A20BG256 FPGA 設計了重構AD7403-8模數轉換器的輸出碼流的sinc3 濾波器,根據DSP 觸發實時采樣重構電流值,并通過串口發送給DSP 處理,實驗驗證了該設計的可行性,電流采樣精度較高。

            參考文獻:

            [1] ADI公司.Σ-Δ轉換用于電機控制[EB/OL]. https://www.analog.com/cn/technical-articles/sigma-delta-conversionused-for-motor-control.html.

            [2] 昌鵬,高瑾.基于FPGA的永磁同步電機電流環帶寬拓展的比較研究[J].電機與控制應用, 2018, 48(1):89-93.

            [3] 陳小梅.適用于Sigma-Delta ADC的512倍數字抽取濾波器的設計與研究[D].武漢:華中科技大學, 2016.

            [4] 安路科技公司. EAGLE FPGA 器件概覽[EB/OL]. http://www.anlogic.com/down_view.aspx?TypeId=25&Id=138&Fid=t14:25:14.

            [5] 楊貴杰,崔乃政,周長攀.《電機數字控制系統集成設計》系列講座(十三)第6章 基于MCU架構交流電機數字控制系統集成設計[J]. 伺服控制, 2013, 000(005):88-94.

            [6] ADI公司. AD7403中文數據手冊[EB/OL]. https://www.analog.com/cn/products/ad7403.html.

            (本文來源于《電子產品世界》雜志2021年5月期)



            評論


            相關推薦

            技術專區

            關閉