在工业应用中，电驱电机的效率取决于控制电路。电机控制的关键是电力电子模块，而该模块的关键是测量电流、电压和位置的传感器。在 Analog Devices 的这篇文章中，我们将探讨电流反馈和直流母线电压测量如何成为电机控制电路的一部分。
功率逆变器和电力电子模块是每个电机驱动器的核心。它们提供了可控的功率元件，可对电机的功率进行调制，从而精确控制电机的速度和扭矩。因此，逆变器的控制对于整个驱动装置的运行至关重要。
对于任何闭环控制系统，我们通常都需要一个设定点（例如所需的工作点），以及一个测量变量（称为反馈）与之进行比较，以便控制回路能够对两者之间的任何差异做出响应。在驱动器中，关键的测量变量通常是电机电流和电机位置。直流母线电压等其他变量也有助于控制回路的运行。让我们来研究一下电流反馈和直流母线电压测量，因为它们发生在逆变器级中，如下图所示。
图 1：伺服驱动器结构图
在电流反馈路径中，最重要的是测量要与 PWM 周期同步，这样才不会在反馈路径中引入高频开关电流纹波。这就要求对电流采样进行精确定时，以便在波形的中点进行采样。在波形的中点，瞬时电流等于 PWM 周期的平均值，测量结果不包括任何 PWM 开关纹波电流。
图 2 以简化方式对此进行了说明。图中显示了相电流波形上的采样点及其与 PWM 高压侧开关波形的相对位置，以及开关周期 Tsw。PWM_SYNC 脉冲表示在这种情况下必须触发电流采样的点（在使用 σ-δ 型 ADC 采样而非单点采样的情况下，也可以理解为数字滤波器的中心点，参见 [1]）。
图 2：电机电流中点采样
此外，还需要对至少两个相位进行同步采样，通常 14-16 位的测量分辨率已经足够，延迟为微秒级，以便控制环路在 PWM 周期时间 (Tsw) 内做出响应，而对于高性能控制环路，则只需一半的周期时间来做出响应。
实现电流测量有几种不同的方法，如图 3 所示，并在下表中进行了说明，同时还提供了一些实现 20A 应用方案的零件编号示例。测量电机电流最精确的位置是电机的实际相位，即逆变器的输出线，但由于这些节点存在高电压，因此通常需要电隔离。电机电流测量可从其他位置推断，如逆变器桥臂、直流母线正轨或负轨。不过，这些测量位置虽然实施起来可能更便宜，但也有其他相关缺点。
图 3：电流反馈选项
| 说明 | 意见 | 示例部件 (20A) | |
| 1 | 串联分流电阻器 + 高共模电压 (CMV) 运算放大器 + 同步采样 ADC (SSADC) | 通常用于 < 100V 的应用，因为高 CMV 运算放大器的额定电压通常在此范围内 | CFN1206AFXR010 (Bourns) AD8410 (ADI) MAX11195(ADI) |
| 2 | 串联分流电阻器 + 隔离式 ADC | 抗噪能力、尺寸和性能方面的最佳解决方案。比特流输出 - 需要数字滤波器 | CFN1206AFXR010 (Bourns) ADuM7701-8 |
| 3 | 隔离式电流传感器 + 运算放大器 + SSADC | 对于并联电阻器效率过低的较高电流水平，是良好的解决方案 | HMSR 20-SMS (LEM) AD8515 (ADI) AD7380 (ADI) |
| 4 | 支路分流电阻 + 运算放大器 + SSADC | 最便宜的解决方案，因为如果控制器直流母线接地，则无需隔离。精度低于同相分流 | CFN1206AFXR010 (Bourns) MAX4477 (ADI) MAX11195 (ADI) |
高保真、高精度的电流反馈对变频器的整体控制回路非常重要。它对整体控制带宽和转矩纹波有很大影响。带宽意味着更快的电机控制瞬态性能，这在取放机等应用中非常重要。扭矩纹波则会影响磨削、切割和抛光等应用中的加工质量和光洁度公差。
虽然电流反馈是从逆变器到控制器的最重要反馈变量，但直流母线电压作为控制前馈变量也很有价值。直流母线电压并不作为受控量使用，但由于直流母线电压的变化会影响电流控制环路的动态特性，因此可将其作为前馈变量，从而改善整个电流控制器的动态特性。最终结果如图 4 所示。
图 4：电流控制器框图
如果控制器地线位于直流母线负极，直流母线电压检测信号可直接从直流母线上的分压器获得，或者使用与分压器输出相连的隔离放大器或 ADC（如前面提到的 ADuM7701）。
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