ADI公司

現(xiàn)代工業(yè)自動化與運(yùn)動控制的支撐性技術(shù)——伺服系統(tǒng)，在過去幾十年中，中國本土企業(yè)實(shí)現(xiàn)了從起步到全面擴(kuò)張的發(fā)展態(tài)勢，例如數(shù)控系統(tǒng)企業(yè)中的廣州數(shù)控、華中數(shù)控，電機(jī)和驅(qū)動企業(yè)中的南京埃斯頓、桂林星辰、東元、珠海運(yùn)控、和利時電機(jī)、蘭州電機(jī)廠，運(yùn)動控制相關(guān)企業(yè)中的深圳步科、杭州中達(dá)，乃至以變頻器為龍頭產(chǎn)品的臺達(dá)、匯川、英威騰等企業(yè)都已紛紛投身伺服產(chǎn)業(yè)并實(shí)現(xiàn)了批量化生產(chǎn)，而且占據(jù)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(jìn)，無不挑動著國際老牌工控巨頭的神經(jīng)。不過，西門子、安川、松下等國外領(lǐng)先供應(yīng)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(jìn)軍中高端，中國開發(fā)者首先應(yīng)該從哪個方面進(jìn)行突破呢？答案是：提高伺服驅(qū)動的精度和可靠性。ADI公司行業(yè)市場經(jīng)理張松剛(Singer Zhang)指出：“伺服驅(qū)動解決方案與運(yùn)動系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)最高性能和精度密切相關(guān)。多數(shù)情況下，最終的應(yīng)用是一個高精度數(shù)控機(jī)床系統(tǒng)、運(yùn)動控制系統(tǒng)或機(jī)器人系統(tǒng)，這些系統(tǒng)要求能夠精確控制位置及電機(jī)扭矩對準(zhǔn)性能最佳?！?/p>

1 伺服控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)考慮和挑戰(zhàn)的應(yīng)對

Singer進(jìn)一步分析了伺服驅(qū)動控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)趨勢和主要挑戰(zhàn)：

(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(guān)鍵，常常使用光學(xué)編碼器和旋轉(zhuǎn)變壓器作為位置傳感器。伺服控制技術(shù)從模擬向數(shù)字的轉(zhuǎn)換推動了現(xiàn)代伺服系統(tǒng)的發(fā)展，也滿足了對于電機(jī)控制的性能和效率的高要求。

(3)從優(yōu)先考慮安全和保護(hù)的角度，信號采樣和功率器件驅(qū)動應(yīng)采用隔離技術(shù)。

(4)使用DSP等高性能處理器可實(shí)現(xiàn)矢量控制和無傳感器控制。

(5)與很多工業(yè)應(yīng)用設(shè)計(jì)一樣，長生命周期和高可靠性的IC產(chǎn)品是伺服控制系統(tǒng)工程師的首選。

(6)普通的交流感應(yīng)電機(jī)向永磁同步電機(jī)轉(zhuǎn)變已是大勢所趨，要求系統(tǒng)設(shè)計(jì)師能提供更高效率和更靈活的算法。

現(xiàn)代伺服控制系統(tǒng)信號鏈的關(guān)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(qiáng)調(diào)了位置檢測電路、電流/電壓檢測的良好隔離、處理器以及設(shè)置點(diǎn)和通信接口支持對高性能伺服系統(tǒng)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(tǒng)的精度和性能。高端伺服應(yīng)用需要更高效、更復(fù)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(tǒng)未來將逐步支持工業(yè)組網(wǎng)，因此ADI公司的種類齊全的iCoupler創(chuàng)新數(shù)字隔離接口方案(可支持Profibus/485/CAN等多種標(biāo)準(zhǔn)制式)可幫助客戶輕松實(shí)現(xiàn)伺服系統(tǒng)與工業(yè)網(wǎng)絡(luò)的連接。

2 高性價比RDC實(shí)現(xiàn)高精度位置檢測

伺服系統(tǒng)一般具有速度環(huán)、電流環(huán)（力矩）、位置環(huán)三個閉環(huán)，其中最復(fù)雜的閉環(huán)控制當(dāng)屬位置環(huán)，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(yōu)點(diǎn)，但缺點(diǎn)是對環(huán)境要求高，不適合高溫潮濕的工業(yè)應(yīng)用場合。作為另一種常見的位置/速度檢測方案，旋轉(zhuǎn)變壓器(旋變)數(shù)字轉(zhuǎn)換器(RDC)具有抗震性好、耐腐蝕、耐高溫和易實(shí)現(xiàn)高速位置檢測的優(yōu)點(diǎn)，被越來越廣泛地用于汽車和工業(yè)應(yīng)用中。

Singer介紹說，ADI公司具有最優(yōu)性價比的高精度旋變數(shù)字轉(zhuǎn)換器（以下簡稱旋變器）系列 AD2S1210，可提供最高達(dá)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(zhuǎn)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(nèi)的信號。最大跟蹤速率為3 125 r/s。對于惡劣的工作環(huán)境，AD2S1210（C級和D級）的額定溫度范圍為-40℃～+125℃范圍的擴(kuò)展工業(yè)溫度范圍。

AD2S1210適合的應(yīng)用包括(但不限于)直流和交流伺服電機(jī)控制、編碼器仿真、電動助力轉(zhuǎn)向、電動汽車、集成的啟動發(fā)電機(jī)/交流發(fā)電機(jī)以及汽車運(yùn)動檢測與控制。為幫助工程師更快、更好地完成產(chǎn)品選型和系統(tǒng)設(shè)計(jì)，ADI公司還提供基于AD2S1210特別設(shè)計(jì)和測試的實(shí)驗(yàn)室電路（編號CN192，詳情可登錄ADI公司官方網(wǎng)站查詢）。

RDC與旋轉(zhuǎn)傳感器配合使用，以便檢測電機(jī)軸的位置和轉(zhuǎn)速。在這種應(yīng)用中，旋變器利用正弦波參考信號進(jìn)行激勵。初級繞組上的旋變器激勵參考信號被轉(zhuǎn)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(shí)際的旋變器位置、旋變器轉(zhuǎn)換比和激勵信號幅度。RDC同步采樣兩個輸入信號，以便向數(shù)字引擎（即所謂Type II跟蹤環(huán)路）提供數(shù)字化數(shù)據(jù)。Type II跟蹤環(huán)路負(fù)責(zé)計(jì)算位置和速度。

3 創(chuàng)新的數(shù)字式高壓安全隔離技術(shù)——iCoupler

在伺服系統(tǒng)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(shù)字隔離技術(shù)躍入眼簾，即ADI的iCoupler專利技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)數(shù)千伏的隔離，完全可滿足伺服系統(tǒng)高壓安全隔離的要求。

iCoupler技術(shù)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(fā)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(zhuǎn)換的缺點(diǎn)，包括功耗過大、時序誤差較大和數(shù)據(jù)速率受限等。事實(shí)上，由于無需驅(qū)動LED的外部電路，iCoupler數(shù)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(lǐng)先伺服控制系統(tǒng)廠商用作電流檢測隔離ADC的AD7400A是一款二階Σ-Δ調(diào)制器，其片上的數(shù)字隔離采用ADI公司的iCoupler技術(shù)，能將模擬輸入信號轉(zhuǎn)換為高速1 bit數(shù)據(jù)流。ADI提供了基于AD7401和其他iCoupler隔離器產(chǎn)品的低成本模擬/模擬隔離器完整實(shí)驗(yàn)室電路（編號 CN0185），應(yīng)用包括交流電機(jī)控制、電流監(jiān)控、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)以及各種可替代ADC加光隔離器的隔離系統(tǒng)。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(biāo)準(zhǔn)）。其中ADuM5000是一款基于ADI公司 iCoupler技術(shù)的隔離式DC/DC轉(zhuǎn)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(tǒng)僅使用一個電源。

Singer介紹說，ADI公司提供的單封裝iCoupler數(shù)字隔離器系列是業(yè)界種類最齊全的隔離器產(chǎn)品。除了上述隔離式Σ-Δ型ADC、采用isoPower的隔離式 DC/DC轉(zhuǎn)換器之外，還包括標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字隔離器、集成PWM控制器和變壓器驅(qū)動器的數(shù)字隔離器、USB 2.0兼容型隔離器、隔離式門驅(qū)動器、隔離式I2C數(shù)字隔離器、隔離式RS-485收發(fā)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(tǒng)支持工業(yè)組網(wǎng)的需求。