說到現代工業(ye) 自動化與(yu) 運動控製的支撐性技術——伺服係統，中國本土企業(ye) 在過去十幾年中實現了從(cong) 起步到全麵擴張的發展態勢，比如數控係統企業(ye) 中的廣州數控、華中數控，電機和驅動企業(ye) 中的南京埃斯頓、桂林星辰、東(dong) 元、珠海運控、和利時電機、蘭(lan) 州電機廠，運動控製相關(guan) 企業(ye) 中的深圳步科、杭州中達，乃至以變頻器為(wei) 龍頭產(chan) 品的台達、匯川、英威騰等企業(ye) 都已紛紛投身伺服產(chan) 業(ye) 並實現了批量化生產(chan) ，而且占據了中低端市場的絕大部分市場份額，如今更是胸心勃勃地向中高端市場邁進，無不挑動著國際老牌工控巨頭的神經。
　
　　不過，實事求是地看，西門子、安川、鬆下等國外領先供應商的產(chan) 品技術性能優(you) 越，並也開始大打“性價(jia) 比”牌，以吸引更多客戶，撼動其在中高端市場的地位並非易事。正如一些調研機構指出的，在技術方麵，6軸、7軸聯動伺服、機器人伺服等高端應用，以及通訊總線接口技術的創新與(yu) 發展，大陸品牌與(yu) 國外先進水平至少還有20年的差距！
　　
　　交流伺服係統中，電動機、驅動、傳(chuan) 感和控製技術等關(guan) 聯技術的不斷變化、造就了各種各樣的配置。就電動機而言，可以采用盤式電機、無鐵芯電機、直線電機、外轉子電機等，驅動器可以采用各種功率電子元件，傳(chuan) 感和反饋裝置可以是不同精度、性能的編碼器、旋轉變壓器和霍爾元件甚至是無傳(chuan) 感器技術，控製技術從(cong) 采用單片機開始，一直到采用高性能DSP 和各種可編程模塊，以及現代控製理論的實用化等等。那麽(me) ，在進軍(jun) 中高端，中國開發者應該首先從(cong) 哪個(ge) 方麵進行突破呢？答案是：提高伺服驅動的精度和可靠性。
　　
　　ADI公司行業(ye) 市場經理張鬆剛 (Singer Zhang )指出：“伺服驅動解決(jue) 方案與(yu) 運動係統實現最高性能和精度密切相關(guan) ，多數情況下，最終的用途可以是一個(ge) 高精度數控機床係統、運動控製係統或機器人係統，這些係統要求能夠精確控製位置及電機扭矩對準性能最佳。”

圖1：伺服控製係統框圖和信號鏈組成。

伺服控製係統設計考慮和挑戰的應對
　　
Singer進一步分析了伺服驅動控製的係統設計趨勢和主要挑戰：
　　1.在伺服控製中，高精度電流和電壓檢測可提高速度和扭矩控製性能，這要求12位以上的性能及多通道的ADC。
　　2.位置檢測性能是伺服控製的關(guan) 鍵，常常使用光學編碼器和旋轉變壓器作為(wei) 位置傳(chuan) 感器。伺服控製技術從(cong) 模擬向數字的轉換推動了現代伺服係統的發展，也滿足了對於(yu) 電機控製的性能和效率的高要求。
　　3.從(cong) 優(you) 先考慮安全和保護的角度，信號采樣和功率器件驅動應采用隔離技術。
　　4.使用DSP等高性能處理器可實現矢量控製和無傳(chuan) 感器控製。
　　5.與(yu) 很多工業(ye) 應用設計一樣，長生命周期和高可靠性的IC產(chan) 品是伺服控製係統工程師的首選。
　　6.普通的交流感應電機向永磁同步電機轉變已是大勢所趨，要求係統設計師能提供更高效率和更靈活的算法。
　　
　　圖1完整地展示了現代伺服控製係統信號鏈的關(guan) 鍵組成部分，包括反饋和檢測、隔離、電源管理、接口、嵌入式處理和通信等。Singer表示，ADI公司針對上述係統設計趨勢和挑戰提供單個(ge) 的器件以及完整的產(chan) 品信號鏈方案，包括隔離器、處理器、轉換器和混合信號前端，性能和質量在同類產(chan) 品中首屈一指，這些高性能的器件和增加係統集成度有助於(yu) 實現更新型的拓撲結構設計，提供高附加值，並可幫助伺服係統工程師可以加快係統設計。
　　
　　Singer特別強調了位置檢測電路、電流/電壓檢測的良好隔離、處理器以及設置點和通訊接口支持對高性能伺服係統的重要意義(yi) 。“在位置檢測和電流電壓檢測或隔離電路中，目前10位精度的ADC要被12位以上精度的ADC所取代，從(cong) 而大幅提高整個(ge) 係統的精度和性能；高端伺服應用需要更高效更複雜的算法，目前100~150MHz的DSP/MCU會(hui) 顯得捉襟見肘，而像ADI公司最新推出的400MHz Blackfin DSP就能很好的滿足需求；中高端伺服係統未來都會(hui) 逐步支持工業(ye) 組網，因此ADI公司的種類齊全的iCoupler創新數字隔離接口方案（可支持Profibus/485/CAN等多種標準製式）可幫助客戶很容易實現伺服係統與(yu) 工業(ye) 網絡的連接。ADI公司所擁有的廣泛的技術組合可以滿足工程師對於(yu) 現在和將來的任何電機控製解決(jue) 方案的需求。”他總結說。
　　
高性價(jia) 比RDC實現高精度位置檢測
　　
　　伺服係統一般具有速度環、電流環（力矩）、位置環三個(ge) 閉環，其中最複雜的閉環控製當屬位置環，對精度、可靠性都有很高的要求。以往采用的光電編碼位置檢測方案具有體(ti) 積小、精度高、無接觸無磨損的優(you) 點，但缺點是對環境要求高，很多高溫潮濕的工業(ye) 應用場合就不適合了。作為(wei) 另一種常見的位置/速度檢測方案，旋轉變壓器(旋變)數字轉換器(RDC) 具有抗震性好、耐腐蝕、耐高溫和易實現高速位置檢測的優(you) 點，被越來越廣泛地用於(yu) 汽車和工業(ye) 應用中。
　　
　　Singer介紹說，ADI公司具有最有性價(jia) 比的高精度旋變數字轉換器（以下簡稱旋變器）係列AD2S1210可提供最高達16位的分辨率，並集成了片上可編程正弦波振蕩器，為(wei) 旋變器提供正弦波激勵。該轉換器的正弦和餘(yu) 弦輸入端允許輸入3.15 V p-p ± 27%、頻率為(wei) 2 kHz至20 kHz範圍內(nei) 的信號。Type II伺服環路用於(yu) 跟蹤輸入信號，並將正弦和餘(yu) 弦輸入端的信息轉換為(wei) 輸入角度和速度所對應的數字量。最大跟蹤速率為(wei) 3125 rps。對於(yu) 惡劣的工作環境，AD2S1210（C級和D級）的額定溫度範圍為(wei) −40°C至+125°C的擴展工業(ye) 溫度範圍。
　　
　　AD2S1210適合的應用包括但不限於(yu) ：直流和交流伺服電機控製；編碼器仿真；電動助力轉向；電動汽車；集成的啟動發電機/交流發電機；汽車運動檢測與(yu) 控製。為(wei) 幫助工程師更快更好地完成產(chan) 品選型和係統設計工作，ADI公司還提供經過驗證的實驗室電路（CFTL）。實驗室電路是經過特別設計和測試的子係統級構建模塊，方便設計人員輕鬆快捷地實現係統集成。
　　
　　圖2所示的高電流驅動器放大AD2S1210的參考振蕩器輸出並進行電平轉換，從(cong) 而優(you) 化與(yu) 旋變器的接口。該驅動器是一個(ge) 使用雙通道、低噪聲、精密運算放大器AD8662和分立互補發射極跟隨器輸出級的複合放大器。一個(ge) 類似的驅動器級用於(yu) 互補激勵輸出，從(cong) 而提供一個(ge) 全差分信號來驅動旋變器初級繞組。本電路包括一個(ge) 推挽輸出級，它能夠向旋變器提供所需的電源，另一個(ge) 優(you) 勢是當不存在信號時，輸出晶體(ti) 管隻需要少量靜態電流。

圖2. 用於(yu) AD2S1210 RDC參考信號輸出的高電流緩衝(chong) 器。

　　RDC與(yu) 旋轉傳(chuan) 感器配合使用，以便檢測電機軸的位置和轉速。在這種應用中，旋變器利用正弦波參考信號進行激勵。初級繞組上的旋變器激勵參考信號被轉換為(wei) 兩(liang) 個(ge) 正弦差分輸出信號：正弦和餘(yu) 弦。正弦和餘(yu) 弦信號的幅度取決(jue) 於(yu) 實際的旋變器位置、旋變器轉換比和激勵信號幅度。RDC同步采樣兩(liang) 個(ge) 輸入信號，以便向數字引擎（即所謂Type II跟蹤環路）提供數字化數據。Type II跟蹤環路負責計算位置和速度。ADI基於(yu) AD2S1210的典型應用電路如圖3所示（上述ADI實驗室電路的編號為(wei) CN0192，詳情可登錄ADI公司官方網站查詢）。#p#分頁標題#e#

圖3. AD2S1210 RDC的典型應用電路。

創新的數字式高壓安全隔離技術——iCoupler
　　
　　在圖1所示的伺服係統通信接口部分的模擬輸入信號隔離電路以及電流檢測的隔離ADC中，一種全新的數字隔離技術躍入眼簾，即ADI的iCoupler專(zhuan) 利技術，可滿足伺服係統高壓安全隔離的要求。
　　
　　iCoupler技術是基於(yu) 芯片尺寸的變壓器，每個(ge) iCoupler通道都由兩(liang) 部分組成：CMOS接口電路和芯片級的變壓器。而iCoupler隔離變壓器的核心，正是這個(ge) 能夠穿越隔離阻障並發射與(yu) 接收信號的平麵變壓器，它們(men) 不僅(jin) 能夠提供隔離，而且消除了以往常用的光耦隔離器中光電轉換的缺點，包括功耗過大、較大的時序誤差和數據速率受限等。事實上，由於(yu) 無需驅動LED的外部電路，iCoupler數字隔離器功耗僅(jin) 為(wei) 光電耦合器的1/10～1/50。
　　
　　iCoupler隔離變壓器可實現數千伏的隔離，其高耐壓的關(guan) 鍵性，在於(yu) 發送和接受變壓器的頂層和底層線圈之間，采用厚達20微米的聚酰亞(ya) 胺材料作為(wei) 隔離層。
　　
　　已被不少本土領先伺服控製係統廠商用作電流檢測隔離ADC的AD7400A是一款二階Σ-Δ調製器，其片上的數字隔離采用ADI公司的iCoupler®技術，能將模擬輸入信號轉換為(wei) 高速1bit數據流。ADI提供了基於(yu) AD7401和其他iCoupler隔離器產(chan) 品的低成本模擬/模擬隔離器（見圖4）完整實驗室電路（編號CN0185），應用包括 交流電機控製、電流監控、數據采集係統以及各種可替代ADC加光隔離器的隔離係統。
　　
　　圖4這種完整的模擬/模擬隔離器可提供2500 V rms的隔離值（1分鍾，符合UL 1577標準）。該電路基於(yu) AD7400A二階Σ-Δ型調製器。隔離模擬信號利用一個(ge) 基於(yu) 雙通道、低噪聲、軌到軌運算放大器 AD8646 的四階有源濾波器恢複。ADuM5000是一款基於(yu) ADI公司iCoupler®技術的隔離式DC/DC轉換器，用於(yu) 為(wei) 電路的隔離端（包含AD7400A）提供電源，兩(liang) 端完全隔離，係統僅(jin) 使用一個(ge) 電源。該電路具有0.05%的線性度，並能獲益於(yu) 調製器AD7400A和模擬濾波器提供的噪聲整形。

 圖4.采用隔離式Σ-Δ型調製器、隔離式DC/DC轉換器和有源濾波器的新型模擬/模擬隔離器。

　　Singer介紹說，ADI公司提供的單封裝iCoupler數字隔離器係列是業(ye) 界種類最齊全的隔離器產(chan) 品，除了上述隔離式Σ-∆型ADC、采用isoPower的隔離式DC/DC轉換器之外，還包括標準數字隔離器、集成PWM控製器和變壓器驅動器的數字隔離器、USB 2.0兼容型隔離器、隔離式門驅動器、隔離式I²C數字隔離器、隔離式RS-485收發器、隔離式RS-232器件等。“可以看到，ADI提供各種製式的隔離接口方案，可滿足各種中高端伺服係統未來支持工業(ye) 組網的需求。”他指出。