Key Takeaways
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摘要
本文探讨了ADC信噪比(SNR)和采样速率对运动控制性能的影响。通过使用230VAC电机测试平台，阐明并实验验证了高SNR的优势。通过多轴加速度计监测振动，详细分析了SNR对电机运行平稳性的影响。上述分析有助于读者更直观地理解高质量电流反馈如何直接影响电机性能。
对精度的需求
随着工业自动化应用的速度和复杂性不断提升，对更高精度和更平稳操作的需求也日益增加，同时不能牺牲速度。某些应用，如机器人和计算机数控(CNC)，要求精确且平稳的运动控制，因为即使是微小的变化也可能影响输出质量。此类要求对闭环控制中的反馈路径提出了更高的速度和准确性要求。
本文是三篇系列文章的第2部分，以230VAC伺服驱动器作为测试平台，探讨电源转换、电机电流测量和控制之间的权衡。
- 本系列文章的第1部分介绍了ADI公司的230VAC伺服驱动器，涵盖电源设计的关键要素、基于碳化硅(SiC)的电源转换架构（变频驱动）以及使用隔离式ADC的闭环反馈。
- 第2部分将深入分析ADC的选型优化，并探讨SNR及其为电机驱动系统带来的优势，包括更高精度、更平滑的运动和更小的振动。
- 第3部分将重点介绍隔离式ADC的超低延迟特性，该特性支持更快的控制环路，并可提升数控机床(CNC)等应用的扭矩响应速度。
SNR与电机控制
在闭环电机控制系统中，快速且准确的电流反馈是实现稳定和平滑控制的关键。电机的电流反馈回路通常由传感器（分流电阻器、变压器）组成，有时会连接放大器，并配备ADC。在高压应用中，上述组件还必须具备隔离功能。
ADC的基础知识
无论使用何种传感器，ADC的选择都至关重要，但理解哪些参数对特定应用最为重要可能较为困难。表1总结了数据手册中常见的一些术语及其典型应用。
| 名称 | 说明 | 应用 | |
| INL | 积分非线性 | 衡量ADC偏离理想直线传递曲线的程度 | 适用于仪器仪表等精密直流系统 |
| THD | 总谐波失真 | 量化在谐波频率下增加的失真能量 | 适用于音频和振动等交流波形系统 |
| DR | 动态范围 | 高于噪声的最大可测输入信号与最小可测输入信号之比 | 适用于电机控制和计量等宽范围检测应用 |
| SNR | 信噪比 | 通过仅比较信号与噪声来指示受噪声限制的准确度 | 适用于电流检测等低噪声精密系统 |
| SINAD | 信纳比 | 通过结合噪声和失真分量来指示总误差 | 适用于仪器仪表等动态系统 |
| ENOB | 有效位数 | 将SINAD （或表示为 ENOBSNR时的SNR）转换为ADC近似准确度的有用指标 | 用于简化SINAD/SNR的准确度比较 |
SNR是评估电流回路性能的常用指标。SNR是信号的均方根(RMS) 幅度与除谐波外所有其他频率分量的平方和(RSS)均值的比值，
其中A是信号（电压）的RMS幅度。1有效位数(ENOB)是一个相关术语，来源于SNR(ENOBSNR)或SINAD(ENOB)，为读者提供了提高SNR/SINAD益处的具体概念（见图1）。ENOBSNR值直接来源于给定ADC的计算SNR与理想ADC预期SNR的比较，理想ADC的SNR通常简化为N。2, 3
SNR是一个特别重要的指标，因为SNR主导着电流控制的稳定性和扭矩纹波。
对速度的需求
Σ-Δ模数转换器(Σ-Δ ADC)因其高分辨率（高达24位）输出、带外抑制和对电源噪声(50Hz/60Hz)的更强抗干扰能力而在工业领域广受欢迎。然而，传统Σ-Δ ADC很难与其他ADC类型匹配更高的采样速率。
ADuM7811通过高达50MHz的主时钟(MCLK)频率弥补了这一差距，从而实现了更高的采样速率。更高的采样速率可以通过过采样实现更高的准确度，或加快整体控制回路的速度。然而，即使在5MHz至25MHz的MCLK频率下运行以便与其他ADC进行直接比较，ADuM7811仍然表现出优越的SNR和动态范围。图2显示了不同温度和MCLK值下的SNR响应。
扭矩回路优化
在许多电机控制架构中，有三个主要控制回路：扭矩、速度和位置。图3展示了上述回路的框图。扭矩回路也称为内回路，因为扭矩回路处理的是电机控制中最基本的单元：用于驱动电机的电流。速度和位置回路在上述内回路的基础上构建，以提供更高级的控制。
以下重点讨论如何通过减少扭矩纹波和提高稳定性来改进扭矩回路控制。
扭矩纹波
扭矩纹波是指瞬时扭矩在一个旋转周期内的峰峰值偏差，通常以平均扭矩的百分比表示。扭矩纹波是由转子与定子之间的电磁相互作用引起的，包括磁场谐波、电流换相效应以及电机的结构特性。图4展示了一个夸张的扭矩纹波示例，其中期望的输出为4VDC信号。
由于电磁扭矩与测量的相电流成正比，因此ADC引入的任何噪声都会表现为电流误差，并直接转化为扭矩纹波。
因此，使用具有更高SNR的ADC可以降低电流测量本底噪声，最大限度地减少电流波动，并减少电流回路中的过度响应。上述改进直接导致瞬时扭矩更加平滑，对扭矩纹波产生显著影响。
控制稳定性
更高的SNR还通过限制高带宽电流反馈系统中的噪声放大来提高控制稳定性，从而实现：
- 更激进的回路调谐
- 更快的瞬态响应
- 提高抗干扰能力且无振荡
上述特性在低速和低扭矩情况下尤为重要，因为此时信号幅度较小，测量噪声可能会主导系统动态特性。请注意，高SNR ADC应具有足够高的输入带宽，以确保在所选应用中获得最佳性能。
控制效益与测试
从控制理论的角度来看，提高ADC采样速度和SNR可以直接改善电流回路带宽和测量质量，这两者共同决定了可实现的扭矩动态特性和平滑度。
每个PWM周期输出一个ADC采样值是电机控制中的常见设计准则，以确保采样、计算和执行之间的确定性时序。sup>4 对于与数字sinc3低通滤波器配对的Σ-Δ ADC，上述要求转化为最小调制器时钟频率为
其中D是sinc3滤波器的抽取率。因此，更快的MCLK允许使用显著更高的PWM频率，而不会降低抽取率或牺牲建立时间。
使用Σ-Δ ADC降低延迟的详细信息将在本系列文章的第3部分中介绍。然而，需要注意的是，更高的 fMCLK也会带来以下两种好处之一：
- 相同的ENOB，但采样时间缩短（如图5所示）
- 在相同的电流采样时间内，ENOB得到改善（如图6所示）
通过提高MCLK频率同时保持sinc3滤波器的建立时间不变，ADC可以实现大约1到2位的ENOB提升。更高的采样速度和更高的SNR在实际应用中的影响是降低整个电机系统的振动和声学噪声。
更快的采样速率
↓
更高的SNR（和ENOB）
↓
更低的电流误差
↓
更低的振动（和噪声）
测试设置
电机上安装了一个振动传感器，电机以1200rpm的固定转速运行。ADC的采样时钟在10MHz至40MHz MCLK之间变化，通过调整PWM的频率来保持恒定的输出数据速率(ODR)，以便在所有测试参数之间进行公平比较。
所使用的振动传感器ADXL382在4kHz带宽下具有2.6mg的本底噪声，因此即使是微小的振动变化也能被检测到。每次测试采集约30秒的振动数据，并计算每次测试的归一化峰峰值振动，以便进行比较。
结果
电机振动测试结果表明，MCLK的增加与x轴和y轴上的振动电平之间存在明显的反比关系。测试显示，根据MCLK速率和电机负载情况，峰值振动降低了10%到30%。
图7清楚地表明，在ODR固定的情况下，增加MCLK可以通过提高SNR和减少电流误差来降低系统的整体振动。
减少振动可以直接提高数控机床(CNC)等应用的性能，同时控制性能更优的闭环系统也能通过降低电流消耗和减少电机部件（如轴承）的磨损，从底层改善系统性能。
结语
为电机控制应用选择ADC并非易事，需要平衡多个关键参数。与在5MHz至25MHz MCLK范围内运行的现有解决方案相比，ADuM7811是一款出色的解决方案，具有一流的SNR和动态范围性能，能够实现精确的动态电流检测。由于能够以50MHz MCLK进行采样，因此可以使用相同的ADC实现系统性能的未来升级，从而提高可实现的SNR或缩短建立时间。本文还描述并实验验证了SNR提高对系统整体振动的影响。请继续阅读本系列文章的第3部分，其中将进一步探讨低延迟反馈所带来的扭矩响应增强和控制回路加快的细节。
参考文献
1 信噪比。维基百科。
2“ADC的基础知识：了解ADC误差如何影响系统性能”。 Maxim Integrated，2002年7月。
3Walt Kester。“揭开一个公式(SNR = 6.02N + 1.76dB)的神秘面纱， 以及为什么我们要予以关注”。ADI公司，2009年。
4 Dara O’Sullivan、Jens Sorensen和Aengus Murray。“AN-1267：使用ADSP-CM408F ADC控制器的电机控制反馈采样时序”。ADI公司，2013年9月。