近年來，全球機器人產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅猛，各行各業(yè)“機器換人”的趨勢明顯。數(shù)據(jù)顯示，2020年全球機器人市場規(guī)模為250億美元，預計到2030年該數(shù)字將達到2600億美元，十年擴大十倍。目前機器人市場中技術(shù)最成熟的依然是工業(yè)機器人，依靠多關節(jié)的機械手臂，大幅提高生產(chǎn)效率，在汽車制造、電子生產(chǎn)等方面應用廣泛。

　　伺服電機控制系統(tǒng)作為機器臂的核心部件之一，可以將電壓信號轉(zhuǎn)化為轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速以驅(qū)動控制對象，決定了機器臂的適用性和靈活度。位置環(huán)、速度環(huán)和電流環(huán)組成了伺服電機的三環(huán)控制系統(tǒng)，本文將以亞德諾半導體(ADI)多款器件說明如何構(gòu)建伺服電機電流環(huán)控制系統(tǒng)中的電流檢測電路。

　　基于電流檢測IC實現(xiàn)傳統(tǒng)高低端電流檢測

　　電流環(huán)是電機控制的核心環(huán)節(jié)，對于輸出同一功率條件下的電機，高電壓電機對應的電流要小，而低電壓電機對應的電流會非常大。以機器手臂為例，一般比較多是高壓的或者是低壓的，低壓到一般以48V直流為主。但是，不同的界定條件會對應不同的結(jié)果。測量電流時，電流檢測技術(shù)分為高端檢測和低端檢測：將測量電阻放在電源與負載之間的這種測量方法稱為高端檢測，將測量電阻放在負載和接地端之間的這種測量方法稱為低端電流檢測。兩種方法各有特點，低端檢流方式在地線回路中增加了額外的電阻，高端檢流方式則要處理較大的共模信號。

　　傳統(tǒng)的高低端檢流方式有多種實現(xiàn)方案，絕大多數(shù)基于分立或半分立元件電路。高端檢流電路通常需要用一個精密運放和一些精密電阻電容，最常用的高端檢流電路采用差分運放做增益放大并將信號電平從高端移位到參考地。專用高端檢流電路內(nèi)部包含了完成高端電流檢測的所有功能單元，可在高達32V 的共模電壓下檢測高端電流，并提供與之成比例的、以地電平為參考點的電流輸出。這種方案需要對電流做精確測量和控制的應用，如電源管理和電池充電控制都適合采用這種方案。

　　下圖便是用MAX4173構(gòu)成的高端電流檢測電路示例，事實上ADI一系列的雙向或單向電流檢測IC可檢測流入或流出被檢電路的電流大小并通過一個極性指示引腳顯示電流方向。增益可調(diào)的電流檢測IC、固定增益(+20V/V，+50V/V，或+100V/V)電流檢測芯片或包括單雙比較器的固定增益電流檢測IC，都采用小體積封裝，如SOT23，可滿足對尺寸要求苛刻的應用。

MAX4173構(gòu)成的高端電流檢測電路示例

　　iCoupler隔離調(diào)制控制器實現(xiàn)高性價比電機電流檢測

　　針對電流檢測無論是高壓還是低壓，有另外一種性價比更高的選擇——利用隔離調(diào)制器實現(xiàn)電機相電流檢測，可以非常接近實際交流電流路徑，就近把模擬信號轉(zhuǎn)化為數(shù)字輸出流，再通過DSP的數(shù)字濾波器可重構(gòu)原始信息，這樣最大程度地降低噪聲拾取，降低EMI/RFI效應，提高系統(tǒng)精度。而且相對于傳統(tǒng)基于光耦合器的解決方案容易受到較長的傳播延遲影響，基于iCoupler隔離式調(diào)制器的電流檢測應用技術(shù)可以使隔離式調(diào)制器響應和柵極驅(qū)動器的低傳播延遲同時具備精確時序，通過快速粗調(diào)數(shù)字濾波器實現(xiàn)短路過流保護。

　　ADuM7701 是一款高性能、二階Σ-Δ調(diào)制器，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)換為高速單位數(shù)據(jù)流，以進行隔離電流檢測測量;ADuM7703 則是一款16位隔離式Σ-Δ ADC，提供低失調(diào)漂移(最大0.6 μV/°C)，可降低扭矩紋波，采用緊湊型8引腳封裝，集成LDO，以簡化電源設計和減小板面積。提供150 V/ns CMTI(最小額定值)，可配合GaN和SiC功率電子器件使用，適用于在一些以48V直流為主的低壓伺服系統(tǒng)中。

ADuM7701與ADuM7703功能框圖

　　針對中小功率電機應用，ADI生態(tài)伙伴世健公司開發(fā)的EPSH-MPC平臺可以涵蓋電機應用中全部的相電流檢測功能，支持不同功率等級的電機電流環(huán)的設計，完整精確地實現(xiàn)了電流環(huán)回路的電流采集、PWM信號的調(diào)制、片內(nèi)ADC信號鏈路調(diào)理及采集、編碼器位置信號的采集，提供了電機的開環(huán)控制，通過提供完整的硬件設計和圖型化的上位機軟件，可幫助客戶快速評估性能和縮短設計周期。本平臺采用隔離模數(shù)轉(zhuǎn)換器AD7403電流采樣，外部電流回路經(jīng)過分流電阻轉(zhuǎn)換成相應的分流電壓輸入到AD7403的電壓測試端，將數(shù)據(jù)通過DMA的方式存入相應的環(huán)形隊列，并利用上位機軟件對數(shù)據(jù)進行相應的分析。

基于ADSP-CM408和AD7403的電機電流檢測系統(tǒng)方案

　　針對大功率電機應用，CM408F-MPC開發(fā)平臺也可提供基于Cortex-M4內(nèi)核的ADI混合信號微控制器ADSP-CM408片內(nèi)高性能的16位SAR ADC的采用輸入，通過相應的信號調(diào)理電路，也可實現(xiàn)0-2.5V的信號輸入，支持霍爾器件+SAR ADC 應用。

　　本文小結(jié)

　　在電機控制、電磁閥控制、通信基礎設施和電源管理等諸多應用中，電流檢測是精密閉環(huán)控制所必需的關鍵功能。從安全至關重要的汽車和工業(yè)應用，到電源和效率至關重要的手持式設備，都能發(fā)現(xiàn)它的身影。利用精密電流監(jiān)控，設計人員可以獲得關鍵的瞬時信息，例如電機扭矩(根據(jù)電機電流)、DC/DC轉(zhuǎn)換器效率、基站LDMOS(橫向擴散MOS)功率晶體管的偏置電流，或者短接至地等診斷信息。

　　在電機驅(qū)動控制開發(fā)中，電流檢測是非常重要的環(huán)節(jié)，精確的電流采樣，是電機良好運轉(zhuǎn)的必要條件，如何精確有效地設計電流檢測電路是電機驅(qū)動控制系統(tǒng)設計的關鍵。本文介紹了利用ADI高性能電流檢測IC與采用iCoupler技術(shù)的控制器產(chǎn)品等，通過差分運放或利用隔離調(diào)制器等多種方法實現(xiàn)了電機電流檢測，為行業(yè)設計提供參考。