ADI优势信号链技术方案助推国产伺服控制系统的崛起

　　说到现代工业自动化与运动控制的支撑性技术——伺服系统，中国本土企业在过去十几年中实现了从起步到全面扩张的发展态势，比如数控系统企业中的广州数控、华中数控，电机和驱动企业中的南京埃斯顿、桂林星辰、东元、珠海运控、和利时电机、兰州电机厂，运动控制相关企业中的深圳步科、杭州中达，乃至以变频器为龙头产品的台达、汇川、英威腾等企业都已纷纷投身伺服产业并实现了批量化生产，而且占据了中低端市场的绝大部分市场份额，如今更是胸心勃勃地向中高端市场迈进，无不挑动着国际老牌工控巨头的神经。 
　 
　　不过，实事求是地看，西门子、安川、松下等国外领先供应商的产品技术性能优越，并也开始大打“性价比”牌，以吸引更多客户，撼动其在中高端市场的地位并非易事。正如一些调研机构指出的，在技术方面，6轴、7轴联动伺服、机器人伺服等高端应用，以及通讯总线接口技术的创新与发展，大陆品牌与国外先进水平至少还有20年的差距！ 
　　 
　　交流伺服系统中，电动机、驱动、传感和控制技术等关联技术的不断变化、造就了各种各样的配置。就电动机而言，可以采用盘式电机、无铁芯电机、直线电机、外转子电机等，驱动器可以采用各种功率电子元件，传感和反馈装置可以是不同精度、性能的编码器、旋转变压器和霍尔元件甚至是无传感器技术，控制技术从采用单片机开始，一直到采用高性能DSP 和各种可编程模块，以及现代控制理论的实用化等等。那么，在进军中高端，中国开发者应该首先从哪个方面进行突破呢？答案是：提高伺服驱动的精度和可靠性。 
　　 
　　ADI公司行业市场经理张松刚 (Singer Zhang )指出：“伺服驱动解决方案与运动系统实现最高性能和精度密切相关，多数情况下，最终的用途可以是一个高精度数控机床系统、运动控制系统或机器人系统，这些系统要求能够精确控制位置及电机扭矩对准性能最佳。”

图1：伺服控制系统框图和信号链组成。 

伺服控制系统设计考虑和挑战的应对 
　　 
　　Singer进一步分析了伺服驱动控制的系统设计趋势和主要挑战： 
　　1.在伺服控制中，高精度电流和电压检测可提高速度和扭矩控制性能，这要求12位以上的性能及多通道的ADC。 
　　2.位置检测性能是伺服控制的关键，常常使用光学编码器和旋转变压器作为位置传感器。伺服控制技术从模拟向数字的转换推动了现代伺服系统的发展，也满足了对于电机控制的性能和效率的高要求。 
　　3.从优先考虑安全和保护的角度，信号采样和功率器件驱动应采用隔离技术。 
　　4.使用DSP等高性能处理器可实现矢量控制和无传感器控制。 
　　5.与很多工业应用设计一样，长生命周期和高可靠性的IC产品是伺服控制系统工程师的首选。 
　　6.普通的交流感应电机向永磁同步电机转变已是大势所趋，要求系统设计师能提供更高效率和更灵活的算法。 
　　 
　　图1完整地展示了现代伺服控制系统信号链的关键组成部分，包括反馈和检测、隔离、电源管理、接口、嵌入式处理和通信等。Singer表示，ADI公司针对上述系统设计趋势和挑战提供单个的器件以及完整的产品信号链方案，包括隔离器、处理器、转换器和混合信号前端，性能和质量在同类产品中首屈一指，这些高性能的器件和增加系统集成度有助于实现更新型的拓扑结构设计，提供高附加值，并可帮助伺服系统工程师可以加快系统设计。 
　　 
　　Singer特别强调了位置检测电路、电流/电压检测的良好隔离、处理器以及设置点和通讯接口支持对高性能伺服系统的重要意义。“在位置检测和电流电压检测或隔离电路中，目前10位精度的ADC要被12位以上精度的ADC所取代，从而大幅提高整个系统的精度和性能；高端伺服应用需要更高效更复杂的算法，目前100~150MHz的DSP/MCU会显得捉襟见肘，而像ADI公司最新推出的400MHz Blackfin DSP就能很好的满足需求；中高端伺服系统未来都会逐步支持工业组网，因此ADI公司的种类齐全的iCoupler创新数字隔离接口方案（可支持Profibus/485/CAN等多种标准制式）可帮助客户很容易实现伺服系统与工业网络的连接。ADI公司所拥有的广泛的技术组合可以满足工程师对于现在和将来的任何电机控制解决方案的需求。”他总结说。 
　　 
高性价比RDC实现高精度位置检测 
　　 
　　伺服系统一般具有速度环、电流环（力矩）、位置环三个闭环，其中最复杂的闭环控制当属位置环，对精度、可靠性都有很高的要求。以往采用的光电编码位置检测方案具有体积小、精度高、无接触无磨损的优点，但缺点是对环境要求高，很多高温潮湿的工业应用场合就不适合了。作为另一种常见的位置/速度检测方案，旋转变压器(旋变)数字转换器(RDC) 具有抗震性好、耐腐蚀、耐高温和易实现高速位置检测的优点，被越来越广泛地用于汽车和工业应用中。 
　　 
　　Singer介绍说，ADI公司具有最有性价比的高精度旋变数字转换器（以下简称旋变器）系列AD2S1210可提供最高达16位的分辨率，并集成了片上可编程正弦波振荡器，为旋变器提供正弦波激励。该转换器的正弦和余弦输入端允许输入3.15 V p-p ± 27%、频率为2 kHz至20 kHz范围内的信号。Type II伺服环路用于跟踪输入信号，并将正弦和余弦输入端的信息转换为输入角度和速度所对应的数字量。最大跟踪速率为3125 rps。对于恶劣的工作环境，AD2S1210（C级和D级）的额定温度范围为?40°C至+125°C的扩展工业温度范围。 
　　 
　　AD2S1210适合的应用包括但不限于：直流和交流伺服电机控制；编码器仿真；电动助力转向；电动汽车；集成的启动发电机/交流发电机；汽车运动检测与控制。为帮助工程师更快更好地完成产品选型和系统设计工作，ADI公司还提供经过验证的实验室电路（CFTL）。实验室电路是经过特别设计和测试的子系统级构建模块，方便设计人员轻松快捷地实现系统集成。 
　　 
　　图2所示的高电流驱动器放大AD2S1210的参考振荡器输出并进行电平转换，从而优化与旋变器的接口。该驱动器是一个使用双通道、低噪声、精密运算放大器AD8662和分立互补发射极跟随器输出级的复合放大器。一个类似的驱动器级用于互补激励输出，从而提供一个全差分信号来驱动旋变器初级绕组。本电路包括一个推挽输出级，它能够向旋变器提供所需的电源，另一个优势是当不存在信号时，输出晶体管只需要少量静态电流。 

图2. 用于AD2S1210 RDC参考信号输出的高电流缓冲器。 

　　RDC与旋转传感器配合使用，以便检测电机轴的位置和转速。在这种应用中，旋变器利用正弦波参考信号进行激励。初级绕组上的旋变器激励参考信号被转换为两个正弦差分输出信号：正弦和余弦。正弦和余弦信号的幅度取决于实际的旋变器位置、旋变器转换比和激励信号幅度。RDC同步采样两个输入信号，以便向数字引擎（即所谓Type II跟踪环路）提供数字化数据。Type II跟踪环路负责计算位置和速度。ADI基于AD2S1210的典型应用电路如图3所示（上述ADI实验室电路的编号为CN0192，详情可登录ADI公司官方网站查询）。 

图3. AD2S1210 RDC的典型应用电路。 

创新的数字式高压安全隔离技术——iCoupler 
　　 
　　在图1所示的伺服系统通信接口部分的模拟输入信号隔离电路以及电流检测的隔离ADC中，一种全新的数字隔离技术跃入眼帘，即ADI的iCoupler专利技术，可满足伺服系统高压安全隔离的要求。 
　　 
　　iCoupler技术是基于芯片尺寸的变压器，每个iCoupler通道都由两部分组成：CMOS接口电路和芯片级的变压器。而iCoupler隔离变压器的核心，正是这个能够穿越隔离阻障并发射与接收信号的平面变压器，它们不仅能够提供隔离，而且消除了以往常用的光耦隔离器中光电转换的缺点，包括功耗过大、较大的时序误差和数据速率受限等。事实上，由于无需驱动LED的外部电路，iCoupler数字隔离器功耗仅为光电耦合器的1/10～1/50。 
　　 
　　iCoupler隔离变压器可实现数千伏的隔离，其高耐压的关键性，在于发送和接受变压器的顶层和底层线圈之间，采用厚达20微米的聚酰亚胺材料作为隔离层。　　 
　　已被不少本土领先伺服控制系统厂商用作电流检测隔离ADC的AD7400A是一款二阶Σ-Δ调制器，其片上的数字隔离采用ADI公司的iCoupler®技术，能将模拟输入信号转换为高速1bit数据流。ADI提供了基于AD7401和其他iCoupler隔离器产品的低成本模拟/模拟隔离器（见图4）完整实验室电路（编号CN0185），应用包括 交流电机控制、电流监控、数据采集系统以及各种可替代ADC加光隔离器的隔离系统。 
　　 
　　图4这种完整的模拟/模拟隔离器可提供2500 V rms的隔离值（1分钟，符合UL 1577标准）。该电路基于 AD7400A二阶Σ-Δ型调制器。隔离模拟信号利用一个基于双通道、低噪声、轨到轨运算放大器 AD8646 的四阶有源滤波器恢复。ADuM5000是一款基于ADI公司iCoupler®技术的隔离式DC/DC转换器，用于为电路的隔离端（包含AD7400A）提供电源，两端完全隔离，系统仅使用一个电源。该电路具有0.05%的线性度，并能获益于调制器AD7400A和模拟滤波器提供的噪声整形。 

 图4.采用隔离式Σ-Δ型调制器、隔离式DC/DC转换器和有源滤波器的新型模拟/模拟隔离器。 

　　Singer介绍说，ADI公司提供的单封装iCoupler数字隔离器系列是业界种类最齐全的隔离器产品，除了上述隔离式Σ-?型ADC、采用isoPower的隔离式DC/DC转换器之外，还包括标准数字隔离器、集成PWM控制器和变压器驱动器的数字隔离器、USB 2.0兼容型隔离器、隔离式门驱动器、隔离式I²C数字隔离器、隔离式RS-485收发器、隔离式RS-232器件等。“可以看到，ADI提供各种制式的隔离接口方案，可满足各种中高端伺服系统未来支持工业组网的需求。”他指出。