說到現(xiàn)代工業(yè)自動化與運動控制的支撐性技術(shù)——伺服系統(tǒng)，中國本土企業(yè)在過去十幾年中實現(xiàn)了從起步到全面擴張的發(fā)展態(tài)勢，比如數(shù)控系統(tǒng)企業(yè)中的廣州數(shù)控、華中數(shù)控，電機和驅(qū)動企業(yè)中的南京埃斯頓、桂林星辰、東元、珠海運控、和利時電機、蘭州電機廠，運動控制相關企業(yè)中的深圳步科、杭州中達，乃至以變頻器為龍頭產(chǎn)品的臺達、匯川、英威騰等企業(yè)都已紛紛投身伺服產(chǎn)業(yè)并實現(xiàn)了批量化生產(chǎn)，而且占據(jù)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(jīng)。
不過，實事求是地看，西門子、安川、松下等國外領先供應商的產(chǎn)品技術(shù)性能優(yōu)越，并也開始大打“性價比”牌，以吸引更多客戶，撼動其在中高端市場的地位并非易事。正如一些調(diào)研機構(gòu)指出的，在技術(shù)方面，6軸、7軸聯(lián)動伺服、機器人伺服等高端應用，以及通訊總線接口技術(shù)的創(chuàng)新與發(fā)展，大陸品牌與國外先進水平至少還有20年的差距！
交流伺服系統(tǒng)中，電動機、驅(qū)動、傳感和控制技術(shù)等關聯(lián)技術(shù)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(zhuǎn)子電機等，驅(qū)動器可以采用各種功率電子元件，傳感和反饋裝置可以是不同精度、性能的編碼器、旋轉(zhuǎn)變壓器和霍爾元件甚至是無傳感器技術(shù)，控制技術(shù)從采用單片機開始，一直到采用高性能DSP 和各種可編程模塊，以及現(xiàn)代控制理論的實用化等等。那么，在進軍中高端，中國開發(fā)者應該首先從哪個方面進行突破呢？答案是：提高伺服驅(qū)動的精度和可靠性。
ADI公司行業(yè)市場經(jīng)理張松剛 (Singer Zhang )指出：“伺服驅(qū)動解決方案與運動系統(tǒng)實現(xiàn)最高性能和精度密切相關，多數(shù)情況下，最終的用途可以是一個高精度數(shù)控機床系統(tǒng)、運動控制系統(tǒng)或機器人系統(tǒng)，這些系統(tǒng)要求能夠精確控制位置及電機扭矩對準性能最佳。”
圖1：伺服控制系統(tǒng)框圖和信號鏈組成。
伺服控制系統(tǒng)設計考慮和挑戰(zhàn)的應對
Singer進一步分析了伺服驅(qū)動控制的系統(tǒng)設計趨勢和主要挑戰(zhàn)：
1.在伺服控制中，高精度電流和電壓檢測可提高速度和扭矩控制性能，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制的關鍵，常常使用光學編碼器和旋轉(zhuǎn)變壓器作為位置傳感器。伺服控制技術(shù)從模擬向數(shù)字的轉(zhuǎn)換推動了現(xiàn)代伺服系統(tǒng)的發(fā)展，也滿足了對于電機控制的性能和效率的高要求。
3.從優(yōu)先考慮安全和保護的角度，信號采樣和功率器件驅(qū)動應采用隔離技術(shù)。
4.使用DSP等高性能處理器可實現(xiàn)矢量控制和無傳感器控制。
5.與很多工業(yè)應用設計一樣，長生命周期和高可靠性的IC產(chǎn)品是伺服控制系統(tǒng)工程師的首選。
6.普通的交流感應電機向永磁同步電機轉(zhuǎn)變已是大勢所趨，要求系統(tǒng)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(xiàn)代伺服控制系統(tǒng)信號鏈的關鍵組成部分，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公司針對上述系統(tǒng)設計趨勢和挑戰(zhàn)提供單個的器件以及完整的產(chǎn)品信號鏈方案，包括隔離器、處理器、轉(zhuǎn)換器和混合信號前端，性能和質(zhì)量在同類產(chǎn)品中首屈一指，這些高性能的器件和增加系統(tǒng)集成度有助于實現(xiàn)更新型的拓撲結(jié)構(gòu)設計，提供高附加值，并可幫助伺服系統(tǒng)工程師可以加快系統(tǒng)設計。
Singer特別強調(diào)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系統(tǒng)的重要意義。“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，從而大幅提高整個系統(tǒng)的精度和性能；高端伺服應用需要更高效更復雜的算法，目前100~150MHz的DSP/MCU會顯得捉襟見肘，而像ADI公司最新推出的400MHz Blackfin DSP就能很好的滿足需求；中高端伺服系統(tǒng)未來都會逐步支持工業(yè)組網(wǎng)，因此ADI公司的種類齊全的iCoupler創(chuàng)新數(shù)字隔離接口方案（可支持Profibus/485/CAN等多種標準制式）可幫助客戶很容易實現(xiàn)伺服系統(tǒng)與工業(yè)網(wǎng)絡的連接。ADI公司所擁有的廣泛的技術(shù)組合可以滿足工程師對于現(xiàn)在和將來的任何電機控制解決方案的需求。”他總結(jié)說。
高性價比RDC實現(xiàn)高精度位置檢測
伺服系統(tǒng)一般具有速度環(huán)、電流環(huán)（力矩）、位置環(huán)三個閉環(huán)，其中最復雜的閉環(huán)控制當屬位置環(huán)，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積小、精度高、無接觸無磨損的優(yōu)點，但缺點是對環(huán)境要求高，很多高溫潮濕的工業(yè)應用場合就不適合了。作為另一種常見的位置/速度檢測方案，旋轉(zhuǎn)變壓器(旋變)數(shù)字轉(zhuǎn)換器(RDC) 具有抗震性好、耐腐蝕、耐高溫和易實現(xiàn)高速位置檢測的優(yōu)點，被越來越廣泛地用于汽車和工業(yè)應用中。
Singer介紹說，ADI公司具有最有性價比的高精度旋變數(shù)字轉(zhuǎn)換器（以下簡稱旋變器）系列AD2S1210可提供最高達16位的分辨率，并集成了片上可編程正弦波振蕩器，為旋變器提供正弦波激勵。該轉(zhuǎn)換器的正弦和余弦輸入端允許輸入3.15 V p-p ± 27%、頻率為2 kHz至20 kHz范圍內(nèi)的信號。Type II伺服環(huán)路用于跟蹤輸入信號，并將正弦和余弦輸入端的信息轉(zhuǎn)換為輸入角度和速度所對應的數(shù)字量。最大跟蹤速率為3125 rps。對于惡劣的工作環(huán)境，AD2S1210（C級和D級）的額定溫度范圍為−40°C至+125°C的擴展工業(yè)溫度范圍。
AD2S1210適合的應用包括但不限于：直流和交流伺服電機控制；編碼器仿真；電動助力轉(zhuǎn)向；電動汽車；集成的啟動發(fā)電機/交流發(fā)電機；汽車運動檢測與控制。為幫助工程師更快更好地完成產(chǎn)品選型和系統(tǒng)設計工作，ADI公司還提供經(jīng)過驗證的實驗室電路（CFTL）。實驗室電路是經(jīng)過特別設計和測試的子系統(tǒng)級構(gòu)建模塊，方便設計人員輕松快捷地實現(xiàn)系統(tǒng)集成。
圖2所示的高電流驅(qū)動器放大AD2S1210的參考振蕩器輸出并進行電平轉(zhuǎn)換，從而優(yōu)化與旋變器的接口。該驅(qū)動器是一個使用雙通道、低噪聲、精密運算放大器AD8662和分立互補發(fā)射極跟隨器輸出級的復合放大器。一個類似的驅(qū)動器級用于互補激勵輸出，從而提供一個全差分信號來驅(qū)動旋變器初級繞組。本電路包括一個推挽輸出級，它能夠向旋變器提供所需的電源，另一個優(yōu)勢是當不存在信號時，輸出晶體管只需要少量靜態(tài)電流。
圖2. 用于AD2S1210 RDC參考信號輸出的高電流緩沖器。
RDC與旋轉(zhuǎn)傳感器配合使用，以便檢測電機軸的位置和轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換為兩個正弦差分輸出信號：正弦和余弦。正弦和余弦信號的幅度取決于實際的旋變器位置、旋變器轉(zhuǎn)換比和激勵信號幅度。RDC同步采樣兩個輸入信號，以便向數(shù)字引擎（即所謂Type II跟蹤環(huán)路）提供數(shù)字化數(shù)據(jù)。Type II跟蹤環(huán)路負責計算位置和速度。ADI基于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CN0192，詳情可登錄ADI公司官方網(wǎng)站查詢）。
圖3. AD2S1210 RDC的典型應用電路。
創(chuàng)新的數(shù)字式高壓安全隔離技術(shù)——iCoupler
在圖1所示的伺服系統(tǒng)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(shù)字隔離技術(shù)躍入眼簾，即ADI的iCoupler專利技術(shù)，可滿足伺服系統(tǒng)高壓安全隔離的要求。
iCoupler技術(shù)是基于芯片尺寸的變壓器，每個iCoupler通道都由兩部分組成：CMOS接口電路和芯片級的變壓器。而iCoupler隔離變壓器的核心，正是這個能夠穿越隔離阻障并發(fā)射與接收信號的平面變壓器，它們不僅能夠提供隔離，而且消除了以往常用的光耦隔離器中光電轉(zhuǎn)換的缺點，包括功耗過大、較大的時序誤差和數(shù)據(jù)速率受限等。事實上，由于無需驅(qū)動LED的外部電路，iCoupler數(shù)字隔離器功耗僅為光電耦合器的1/10～1/50。
iCoupler隔離變壓器可實現(xiàn)數(shù)千伏的隔離，其高耐壓的關鍵性，在于發(fā)送和接受變壓器的頂層和底層線圈之間，采用厚達20微米的聚酰亞胺材料作為隔離層。
已被不少本土領先伺服控制系統(tǒng)廠商用作電流檢測隔離ADC的AD7400A是一款二階Σ-Δ調(diào)制器，其片上的數(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1bit數(shù)據(jù)流。ADI提供了基于AD7401和其他iCoupler隔離器產(chǎn)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 交流電機控制、電流監(jiān)控、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)以及各種可替代ADC加光隔離器的隔離系統(tǒng)。
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分鐘，符合UL 1577標準）。該電路基于 AD7400A二階Σ-Δ型調(diào)制器。隔離模擬信號利用一個基于雙通道、低噪聲、軌到軌運算放大器 AD8646 的四階有源濾波器恢復。ADuM5000是一款基于ADI公司iCoupler®技術(shù)的隔離式DC/DC轉(zhuǎn)換器，用于為電路的隔離端（包含AD7400A）提供電源，兩端完全隔離，系統(tǒng)僅使用一個電源。該電路具有0.05%的線性度，并能獲益于調(diào)制器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(diào)制器、隔離式DC/DC轉(zhuǎn)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(shù)字隔離器系列是業(yè)界種類最齊全的隔離器產(chǎn)品，除了上述隔離式Σ-?型ADC、采用isoPower的隔離式DC/DC轉(zhuǎn)換器之外，還包括標準數(shù)字隔離器、集成PWM控制器和變壓器驅(qū)動器的數(shù)字隔離器、USB 2.0兼容型隔離器、隔離式門驅(qū)動器、隔離式I²C數(shù)字隔離器、隔離式RS-485收發(fā)器、隔離式RS-232器件等。“可以看到，ADI提供各種制式的隔離接口方案，可滿足各種中高端伺服系統(tǒng)未來支持工業(yè)組網(wǎng)的需求。”他指出。