近年來(lái)，全球機(jī)器人產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅猛，各行各業(yè)“機(jī)器換人”的趨勢(shì)明顯。數(shù)據(jù)顯示，2020年全球機(jī)器人市場(chǎng)規(guī)模為250億美元，預(yù)計(jì)到2030年該數(shù)字將達(dá)到2600億美元，十年擴(kuò)大十倍。目前機(jī)器人市場(chǎng)中技術(shù)最成熟的依然是工業(yè)機(jī)器人，依靠多關(guān)節(jié)的機(jī)械手臂，大幅提高生產(chǎn)效率，在汽車制造、電子生產(chǎn)等方面應(yīng)用廣泛。

　　伺服電機(jī)控制系統(tǒng)作為機(jī)器臂的核心部件之一，可以將電壓信號(hào)轉(zhuǎn)化為轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速以驅(qū)動(dòng)控制對(duì)象，決定了機(jī)器臂的適用性和靈活度。位置環(huán)、速度環(huán)和電流環(huán)組成了伺服電機(jī)的三環(huán)控制系統(tǒng)，本文將以亞德諾半導(dǎo)體(ADI)多款器件說(shuō)明如何構(gòu)建伺服電機(jī)電流環(huán)控制系統(tǒng)中的電流檢測(cè)電路。

　　基于電流檢測(cè)IC實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)高低端電流檢測(cè)

　　電流環(huán)是電機(jī)控制的核心環(huán)節(jié)，對(duì)于輸出同一功率條件下的電機(jī)，高電壓電機(jī)對(duì)應(yīng)的電流要小，而低電壓電機(jī)對(duì)應(yīng)的電流會(huì)非常大。以機(jī)器手臂為例，一般比較多是高壓的或者是低壓的，低壓到一般以48V直流為主。但是，不同的界定條件會(huì)對(duì)應(yīng)不同的結(jié)果。測(cè)量電流時(shí)，電流檢測(cè)技術(shù)分為高端檢測(cè)和低端檢測(cè)：將測(cè)量電阻放在電源與負(fù)載之間的這種測(cè)量方法稱為高端檢測(cè)，將測(cè)量電阻放在負(fù)載和接地端之間的這種測(cè)量方法稱為低端電流檢測(cè)。兩種方法各有特點(diǎn)，低端檢流方式在地線回路中增加了額外的電阻，高端檢流方式則要處理較大的共模信號(hào)。

　　傳統(tǒng)的高低端檢流方式有多種實(shí)現(xiàn)方案，絕大多數(shù)基于分立或半分立元件電路。高端檢流電路通常需要用一個(gè)精密運(yùn)放和一些精密電阻電容，最常用的高端檢流電路采用差分運(yùn)放做增益放大并將信號(hào)電平從高端移位到參考地。專用高端檢流電路內(nèi)部包含了完成高端電流檢測(cè)的所有功能單元，可在高達(dá)32V 的共模電壓下檢測(cè)高端電流，并提供與之成比例的、以地電平為參考點(diǎn)的電流輸出。這種方案需要對(duì)電流做精確測(cè)量和控制的應(yīng)用，如電源管理和電池充電控制都適合采用這種方案。

　　下圖便是用MAX4173構(gòu)成的高端電流檢測(cè)電路示例，事實(shí)上ADI一系列的雙向或單向電流檢測(cè)IC可檢測(cè)流入或流出被檢電路的電流大小并通過(guò)一個(gè)極性指示引腳顯示電流方向。增益可調(diào)的電流檢測(cè)IC、固定增益(+20V/V，+50V/V，或+100V/V)電流檢測(cè)芯片或包括單雙比較器的固定增益電流檢測(cè)IC，都采用小體積封裝，如SOT23，可滿足對(duì)尺寸要求苛刻的應(yīng)用。

MAX4173構(gòu)成的高端電流檢測(cè)電路示例

　　iCoupler隔離調(diào)制控制器實(shí)現(xiàn)高性價(jià)比電機(jī)電流檢測(cè)

　　針對(duì)電流檢測(cè)無(wú)論是高壓還是低壓，有另外一種性價(jià)比更高的選擇——利用隔離調(diào)制器實(shí)現(xiàn)電機(jī)相電流檢測(cè)，可以非常接近實(shí)際交流電流路徑，就近把模擬信號(hào)轉(zhuǎn)化為數(shù)字輸出流，再通過(guò)DSP的數(shù)字濾波器可重構(gòu)原始信息，這樣最大程度地降低噪聲拾取，降低EMI/RFI效應(yīng)，提高系統(tǒng)精度。而且相對(duì)于傳統(tǒng)基于光耦合器的解決方案容易受到較長(zhǎng)的傳播延遲影響，基于iCoupler隔離式調(diào)制器的電流檢測(cè)應(yīng)用技術(shù)可以使隔離式調(diào)制器響應(yīng)和柵極驅(qū)動(dòng)器的低傳播延遲同時(shí)具備精確時(shí)序，通過(guò)快速粗調(diào)數(shù)字濾波器實(shí)現(xiàn)短路過(guò)流保護(hù)。

　　ADuM7701 是一款高性能、二階Σ-Δ調(diào)制器，片上的數(shù)字隔離采用ADI公司的iCoupler技術(shù)，能將模擬輸入信號(hào)轉(zhuǎn)換為高速單位數(shù)據(jù)流，以進(jìn)行隔離電流檢測(cè)測(cè)量;ADuM7703 則是一款16位隔離式Σ-Δ ADC，提供低失調(diào)漂移(最大0.6 μV/°C)，可降低扭矩紋波，采用緊湊型8引腳封裝，集成LDO，以簡(jiǎn)化電源設(shè)計(jì)和減小板面積。提供150 V/ns CMTI(最小額定值)，可配合GaN和SiC功率電子器件使用，適用于在一些以48V直流為主的低壓伺服系統(tǒng)中。

ADuM7701與ADuM7703功能框圖

　　針對(duì)中小功率電機(jī)應(yīng)用，ADI生態(tài)伙伴世健公司開(kāi)發(fā)的EPSH-MPC平臺(tái)可以涵蓋電機(jī)應(yīng)用中全部的相電流檢測(cè)功能，支持不同功率等級(jí)的電機(jī)電流環(huán)的設(shè)計(jì)，完整精確地實(shí)現(xiàn)了電流環(huán)回路的電流采集、PWM信號(hào)的調(diào)制、片內(nèi)ADC信號(hào)鏈路調(diào)理及采集、編碼器位置信號(hào)的采集，提供了電機(jī)的開(kāi)環(huán)控制，通過(guò)提供完整的硬件設(shè)計(jì)和圖型化的上位機(jī)軟件，可幫助客戶快速評(píng)估性能和縮短設(shè)計(jì)周期。本平臺(tái)采用隔離模數(shù)轉(zhuǎn)換器AD7403電流采樣，外部電流回路經(jīng)過(guò)分流電阻轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的分流電壓輸入到AD7403的電壓測(cè)試端，將數(shù)據(jù)通過(guò)DMA的方式存入相應(yīng)的環(huán)形隊(duì)列，并利用上位機(jī)軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行相應(yīng)的分析。

基于ADSP-CM408和AD7403的電機(jī)電流檢測(cè)系統(tǒng)方案

　　針對(duì)大功率電機(jī)應(yīng)用，CM408F-MPC開(kāi)發(fā)平臺(tái)也可提供基于Cortex-M4內(nèi)核的ADI混合信號(hào)微控制器ADSP-CM408片內(nèi)高性能的16位SAR ADC的采用輸入，通過(guò)相應(yīng)的信號(hào)調(diào)理電路，也可實(shí)現(xiàn)0-2.5V的信號(hào)輸入，支持霍爾器件+SAR ADC 應(yīng)用。

　　本文小結(jié)

　　在電機(jī)控制、電磁閥控制、通信基礎(chǔ)設(shè)施和電源管理等諸多應(yīng)用中，電流檢測(cè)是精密閉環(huán)控制所必需的關(guān)鍵功能。從安全至關(guān)重要的汽車和工業(yè)應(yīng)用，到電源和效率至關(guān)重要的手持式設(shè)備，都能發(fā)現(xiàn)它的身影。利用精密電流監(jiān)控，設(shè)計(jì)人員可以獲得關(guān)鍵的瞬時(shí)信息，例如電機(jī)扭矩(根據(jù)電機(jī)電流)、DC/DC轉(zhuǎn)換器效率、基站LDMOS(橫向擴(kuò)散MOS)功率晶體管的偏置電流，或者短接至地等診斷信息。

　　在電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制開(kāi)發(fā)中，電流檢測(cè)是非常重要的環(huán)節(jié)，精確的電流采樣，是電機(jī)良好運(yùn)轉(zhuǎn)的必要條件，如何精確有效地設(shè)計(jì)電流檢測(cè)電路是電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。本文介紹了利用ADI高性能電流檢測(cè)IC與采用iCoupler技術(shù)的控制器產(chǎn)品等，通過(guò)差分運(yùn)放或利用隔離調(diào)制器等多種方法實(shí)現(xiàn)了電機(jī)電流檢測(cè)，為行業(yè)設(shè)計(jì)提供參考。