ADI优势信号链技术方案助推国产伺服控制系统的崛起

ADI公司

现代工业自动化与运动控制的支撑性技术——伺服系统，在过去几十年中，中国本土企业实现了从起步到全面扩张的发展态势，例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，如今更是雄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，西门子、安川、松下等国外领先供应商也开始大打“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。

欲进军中高端，中国开发者首先应该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，最终的应用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。”

1 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系统的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 bit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。

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信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，采用12 bit以上精度的ADC取代10 bit精度的ADC，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100～150 MHz的DSP/MCU会显得捉襟见肘，而ADI公司最新推出的400 MHz Blackfin DSP则能很好地满足需求。中高端伺服系统未来将逐步支持工业组网，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)可帮助客户轻松实现伺服系统与工业网络的连接。

2 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、无接触及无磨损的优点，但缺点是对环境要求高，不适合高温潮湿的工业应用场合。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公司具有最优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 bit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 Vp-p±27%、频率为2 kHz～20 kHz范围内的信号。最大跟踪速率为3 125 r/s。对于恶劣的工作环境，AD2S1210（C级和D级）的额定温度范围为-40℃～+125℃范围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/交流发电机以及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，ADI公司还提供基于AD2S1210特别设计和测试的实验室电路（编号CN192，详情可登录ADI公司官方网站查询）。

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正弦波和余弦波两个正弦差分输出信号。正弦波和余弦波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。

3 创新的数字式高压安全隔离技术——iCoupler

在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，可实现数千伏的隔离，完全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CMOS接口电路和芯片级的变压器两部分组成。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、时序误差较大和数据速率受限等。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。

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1 bit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1所示为完整的模拟/模拟隔离器，可提供 2 500 Vrms的隔离值（1 min，符合 UL 1577标准）。其中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。

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-Δ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。ADI提供各种制式的隔离接口方案，可满足未来各种中高端伺服系统支持工业组网的需求。