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应用于电机驱动的隔离运放单端和差分输出对采样性能的影响

发布时间：2024-03-31 10:20:02 来源：安博体育官网

电机驱动器是用来控制各种电机，比如AC变频器，伺服电机的一种控制器。一般是通过位置、速度和力矩三种方式对电机来控制，实现传动系统定位。高分辨率、精确电压电流测量在需要高性能扭矩和运动控制的工业电机驱动应用中至关重要。因为工业电机驱动器需要满足 (IEC) 61800-5-1的电气安全的需求，所以相应需要采取普通或加强型的隔离电路设计。相较于霍尔效应传感器、磁通门传感器与电流互感器，分流电阻器加隔离运放的方案在线性度、带宽和漂移等性能更好。在电机驱动器中，通常会在功率板用隔离采样运放来对相电流，母线电流和母线电压等进行采样，如下图1：

运放的差分输出结构因具有更加好的抗干扰性而广泛存在，但是后级MCU的ADC一般为单端输入，所以常规做法是在靠近MCU内置ADC输入的位置，加上一个单端转差分的运放。那么经常会产生疑问，能不能不额外加这个运放，直接将隔离运放的差分输出的一个脚接地，另一个脚接入MCU的内置ADC呢？如果这样做，会带来什么样的问题呢？

首先，为了更直观地了解AMC1311的输出性能，AMC1311的差分输出Outp和Outn的波形能够最终靠TINA仿真电路得到供PSpice模型：

如果将Outn悬空或通过电阻接地（注意，输出脚不可以直接接地，接地电阻建议10kΩ），将Outp直接接入后级单端输入ADC里。带来的影响：

从AMC1311数据手册得知：Vcmout=1.44±50mV。若差分结构输出，Outn与Outp因为互呈镜像，两者相减得到Out，Vcmout的50mV的误差可以认为相互抵消，忽略不记。但是单端结构则不然。这个±50mV会带来原始的Vos误差。对于单端结构，当输入脚短接，Out的值理论上为1.44V，若不是，那么要进一步的校准，校准工作一般在MCU的算法中进行。

单端输出的交流幅值是差分输出的一半，所以如果采用单端结构，那么SNR指标会变差，进而影响ADC有效位数。所以，相较于差分输出结构，单端输出结构对于运放输出范围和后级ADC输入范围的利用率仅为一半，会带来对于Vos以及SNR指标的不良影响。客户在采用这种结构时，需要仔细考虑这些不良影响。

对于提供内置差分输入ADC的MCU，比如C2000系列的TMS320F2837x同时提供16bit差分输入的ADC通道和12bit单端输入的ADC通道，可以为信号处理提供更多自由度。如果想要追求更高的精度，可以免去中间电路，直接将差分运放的输出接到对应的差分输入ADC模块，同时获得更好的精度和信噪比。如图7：

本文介绍在应用电机驱动器中，采用隔离运放的系统架构和TI明星产品。涉及了相关电路设计和外部信号调理与MCU的配合。结合后级ADC，深入讨论了隔离运放单端结构输出和差分结构输出对整体采样性能的影响，提供了相应的分析和建议。

总结来说，如果采用内置差分输入ADC的MCU，比如C2000系列的TMS320F2837x，可以免去中间电路，直接将差分运放的输出接到对应的差分输入ADC模块，同时获得更好的精度和信噪比；如果采用内置单端输入ADC的MCU，添加一颗简单运放比如TLV6001，可以在实现差分转单端的同时进行信号调理能更加完美地适配后级ADC的输入要求。如果想要省去额外调理运放，能够使用一端电阻接地，但需要仔细考虑对于采样准确度和信噪比的不良影响。关键字：引用地址：应用于电机驱动的隔离运放单端和差分输出对采样性能的影响

计算应用的发展引起了人们对电子产业如何减少能耗的广泛关注和讨论。根据电力研究协会（EPRI）的研究，物理运动类应用，包括电机驱动、消费类白色家电和工业用机器的能耗占全球电力消耗总量的50%以上，因此这一领域成为新的低能耗设计的首要目标。除了能耗管理IC之外，这类物理运动控制应用的解决之道在于采用MCU形式的智能芯片。MCU能够以更高的效率、更低的成本进行电机管理，加速从机电控制到电子控制的转变过程，实现变速电机（VSM）的控制。 MCU控制的无刷直流（BLDC）电机相比传统的直流电机具有更高的效率、很高的力矩-惯性比、较高的速度性能、较低的噪声、较好的热效率和较低的EMI指标。智能电机的效率可以超过95%，而感应式电机只有8

Allegro MicroSystems，LLC推出一款全新的汽车级双极步进电机驱动器或双直流电机驱动器IC AMT49702，新产品专为低压步进电机和双/单高电流直流电机的脉冲宽度调制(PWM)控制而设计。AMT49702的输出电流可达每通道1A，工作电压为3.5至15V，主要应用领域包括：平视显示器(HUD)中的镜面定位和防尘罩、导航系统中的屏幕升降器、驾驶员注意力监测系统中的摄像头移动或对焦、以及方向盘反馈中的振动警报等等。 AMT49702是一款汽车级器件，已经过扩展的温度和电压范围测试，能保证符合汽车或工业应用的要求。它具有内部固定的关断时间PWM定时器，可根据选择的电流检测电阻来设置峰值电流。AMT49702还可提

本文中，将以MAX5891 作为测量和规格说明的特例。但所介绍的参数和测量办法能够用于其他的差分输出、电流模式DAC。线性参数说明定义数据转换器线性精度主要有两个参数：积分(INL)和差分(DNL)非线性。INL是输出传输函数和理想直线之间的偏差；DNL是转换器输出步长相对于理想步长的误差。能够使用两种方法之一对INL进行定义：(1)端点INL或(2)最佳拟合INL。端点INL是采用DAC传输函数端点测得的实际值计算转换器的线性度；最佳拟合INL则是计算传输函数的斜率获得INL的峰值。图1a. 端点积分非线b. 最佳拟合积分非线b以图形的形式显示了两种测试方法与给定传输函数之间的关系

测量方法简介 /

在学习电机驱动电路设计时，我们应该考虑哪些主要的因素，才能做好一款电机驱动？针对不同电机，我们就应选择与其对应的驱动；简单来说，就是功率大的电机应选择内阻小、电流容许大的驱动，而功率小的电机，能选用较为低功率的驱动。一、驱动电路实现功能拿到设计电机项目，首先要考虑要实现哪些功能。电机是单向还是双向转动？对于单向的电机驱动，只要用一个大功率三极管或场效应管或继电器直接带动电机即可，当电机需要双向转动时，能够正常的使用由4个功率元件组成的H桥电路或者使用一个双刀双掷的继电器。电机需不需要调速？如果不需要调速，只要使用继电器即可；但若需要调速，能够正常的使用三极管，场效应管等开关元件实现PWM（脉冲宽度调制）调速。二、其

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控制器局域网（CAN）串行总线拓扑结构可使设备和微控制器在不采用主机的情况下相互通信。它无需仲裁即可进行传输，可在每个设备节点上放置一个控制器和一个主处理器，省去了设备与主机互连时必需的复杂线缆。利用CANH和CANL线缆上的信号，CAN总线有被动和主动两种状态。差分电压大于0.9 V时，总线 V时则为被动状态。CAN收发器（如ADM3051）可将CAN控制器连接至物理层总线.CAN总线信号和状态 CAN收发器能够最终靠平台上的自动测试设备（ATE）或直流信号进行表征。图2所示的电路采取函数发生器产生的方波信号为收发器提供可调CAN信号。为实现宽带宽和低

符合 IEC 60335 和 60730 的紧凑且可靠的高压 (HV) 永磁 (PM) 或无刷直流 (BLDC) 电机驱动器是各种电器应用所必需的，包括冰箱压缩机、洗碗机和洗衣机中的泵、冷凝器风扇在高效空调，抽油烟机和吊扇。设计人员一直承受着开发紧凑、高效且可靠的驱动器的压力，这些驱动器已通过国际安全标准认证。显然，需要一种易于使用、通过 IEC 60335 和 IEC 60730 认证的 BLDC 电机解决方案，它不但可以帮助设计电机控制系统，还可以提供故障诊断和保护。加速软件认证和硬件开发设计人能使用 Power IntegraTIons 的 BridgeSwitch 系列集成半桥来简化高达 400 W 的

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对于不起眼的有刷直流电动机，您一定要重视。一方面，它是最古老的直流电动机，众所周知，已普遍的使用，并且直接从直流电源轨运行，不需要任何“电子”驱动器。另一方面，它并没有正真获得太多的尊重。毕竟，它具有那些“讨厌的”接触电刷，这些电刷最终会磨损（匹配的转子触头也会磨损），并且会引起可见的火花以及看不见但相当大的EMI/RFI。在早期，控制它的唯一方法是调整施加的直流电压，但是，降低该电压会降低RPM（如预期的那样）并极度影响其扭矩。相比之下，无刷直流和步进电机现在由于其可控性以及其他特性而受到了大多数关注和设计考虑。尽管如此，数以百万计的有刷电动机仍在使用。它们不仅价格实惠公道，而且足以满足玩具等非关键性应用的需求，而且在受限的速度和扭矩

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