干货 | 从系统架构入手，教你三招设计高性能控制电路

如何选择符合目标系统规格以及标准的相应架构、电路和元件呢？这些是由电路满足在效率、带宽和精度方面提供系统所需性能，同时又满足安全隔离要求来决定的。

本文探讨了系统架构选择对电源和控制电路设计以及系统性能的影响。

隔离构架

我们关心的问题是您需要根据用户提供的命令，安全地控制从交流电源到负载的能量流动。此问题在图1所示的高电平电机驱动系统图中针对以下三个电源域进行了阐述：给定、控制和功率。

图1.电机控制系统中的隔离架构

安全性要求是，用户给定电路必须与功率电路上的危险电压进行电位隔离。架构决策取决于隔离栅放置在给定和控制电路之间还是控制和功率电路之间。在电路之间引入隔离栅会影响信号完整性并增加成本。

非隔离式控制架构

非隔离式控制架构在控制和电源电路之间存在共同的接地连接。这样电机控制ADC可获取电源电路中的所有信号。电机绕组电流流入低侧逆变器臂时，ADC在基于中心的PWM信号的中点处进行采样。低侧IGBT栅极的驱动器可以是简单的非隔离式，但PWM信号须经由具有功能性隔离或电平移位转换实现与三个高侧IGBT栅极隔离。命令和控制电路之间的隔离造成的复杂性取决于最终应用，但通常涉及使用独立系统和通信处理器。简单处理器即可管理前面板接口并在慢速串行接口上发送速度命令的架构在家用设备或低端工业应用中可以接受。由于命令接口的高带宽要求，非隔离式架构在用于机器人和自动化应用的高性能驱动器中较少见。

隔离式控制架构

使用隔离式转换器的逆变器反馈

此方法的好处是可使用两种不同的数字滤波器：

另一个低保真快速滤波器用于保护逆变器。

在图2中，绕组分流器用于测量电机绕组电流，隔离式ADC用于在隔离栅上传输10MHz数据流。Sinc滤波器可将高分辨率电流数据提交给电机控制算法，该算法会计算施加所需逆变器电压需要的逆变器占空比。另一个低分辨率滤波器可检测电流过载，并在出现故障时将跳变信号发送至PWM调制器。Sinc滤波器频率响应曲线解释说明了合适的参数选择如何能够使滤波器抑制电流采样中的PWM开关纹波。

图2.隔离式电流反馈

图3.Sinc滤波器频率响应

电源输出隔离

两种控制架构的共同问题是需要支持多个隔离电源域。如果每个域需要多个偏置轨，就更加难以实现。图4的电路可产生+15V和–7.5V电压用于栅极驱动，+5V电压用于为ADC供电，均在一个域中，同时每个域仅使用一个变压器绕组和两个引脚。使用一个变压器磁芯和骨架为四个不同电源域创造双电源或三电源。

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