機器人應用需要對驅動許多機器接合點的電機進行精確控制。 控制系統需要了解各種機器臂和執行器的定位位置，以確保運行安全、可靠。 要做到高效，還需更深入地實時了解電機殼內的轉子運動情況。

圖 1：電機控制信號鏈。

如沒有轉子角度的信息（易于在高負載下滑動），電子裝置控制器可能會提供太多電流，而這些電流只是通過發熱浪費掉了。 為了感測位置和轉子狀態，控制算法的一個重要變量是電機繞組的電流水平。 從概念上講，這是一個易于監控的低成本變量，因為它只涉及提供一個從電機到控制電路的鏈路。 但是，確保信號盡可能準確需要考慮許多因素。 誤差會導致無法準確檢測位置并增加不必要的能耗。

電機控制中最常用的電流傳感器是分流電阻器、霍爾效應傳感器和電流互感器。 后兩個裝置提供隔離功能，盡管會增加整體成本，但在處理高功率時非常重要。 分流電阻器電路一般限于測量 50 A 或以下的電流，但其優勢是具有傳感器類型器件中線性度最高的響應能力，以及更低的低成本。 這些器件還適合 AC 和 DC 測量。

通過將分流電阻器與三角積分調制器耦合，可以實現準確靈敏的結果。 三角積分采樣與濾波技術有助于抑制瞬態噪聲影響，并可以很好地支持 12 位以上的分辨率。 Texas Instruments 的 ADS1203 即是一種專用于包括電機控制在內的儀表應用的三角積分調制器。 此器件是一個單通道、二階三角積分調制器，專用于 DC 至 39 kHz 頻率范圍內的高分辨率模數轉換。 此轉換器的輸出是一連串數字 1 和 0，其時間平均值與模擬輸入電壓成比例。 使用濾波三角積分調制器信號的一個關鍵優勢是，可將量化噪聲源與瞬態噪聲源轉換至高頻率，使其更易于通過低通濾波器濾除。

圖 2：典型三角積分型比特流對模擬輸入電平變化的響應。

通過使用調制器代替完整的模數轉換器，設計師可以調整數字濾波性能，從而最好地滿足電機控制的要求。其中包括，與向電機本身供電的 H 橋電路中的晶體管開關事件保持嚴格同步。 濾波器本身可使用數字信號處理器 (DSP)、微控制器或現場可編程門陣列 (FPGA) 來實施，具體取決于成本和性能目標。 通過使用定制濾波器，可以較好地在瞬態響應與最終采樣分辨率之間進行取舍。 較高的過采樣率可帶來更高的準確度，但會造成數值更新率較低 - 降低過采樣會減小分辨率，但會提供較高的刷新率。

圖 3：二階三角積分調制器塊。

就數據處理而言，有一個與傳統逐次逼近 (SAR) 模數轉換器的對照。 通過利用 SAR 轉換器，可在采樣保持電路的協助下執行采樣，這讓系統設計師可以嚴格控制采樣時刻的定時。 另一方面，三角積分轉換采用持續采樣流程，因此采樣值沒有已定義的觸發時刻。 反之，此時間點的采樣值是一系列 1 位采樣值的加權平均值，這一系列采樣值可能跨越此采樣值代表的這一時間點的值。

對 1 位比特流進行濾波并抽取至較低速率的多比特流采樣值，可以在兩個不同階段完成，一種很常見的方法是使用可在一個階段執行這兩個任務的 SINC 濾波器。 三階通常稱為 sinc3，是目前這些應用最普遍的選擇。

濾波器在很大程度上是一個采樣值窗口的加權總和，該加權總和會給予序列中心的采樣值更多權重；而給予序列開始和結束處的采樣值較少權重。 鑒于測量電流中功率晶體管開關分量的影響，需要考慮這一效應，否則反饋算法將受到混疊等方面的影響。

sinc3 濾波器的脈沖響應與先于中心采樣值的采樣值貢獻度對稱，且中心采樣值與其后面的采樣值相同。 電流的開關分量也沿平均電流點對稱：以使開關分量總和為零。 如果采樣窗口中心與用于驅動 H 橋的 PWM 同步脈沖對齊，則允許在不混疊的情況下測量相電流，但在從濾波器讀取數據時需要注意確保正確對齊采樣值。 濾波會強加一個延遲，以便 PWM 同步脈沖時濾波器的采樣值輸出將來自以前的多個時段。 相比基于 SAR 的電流測量，這在軟件程序安排中影響很大。

在 SAR 情況下，PWM 同步脈沖可觸發模數轉換器執行一系列轉換。 當為控制環路準備好數據時，系統會產生中斷并開始執行控制環路。 通過利用三角積分調制器和濾波器，這些采樣值將連續生成，但相電流測量的重要采樣值將在固定延遲后準備就緒。 應使用定時器或計數器應在出現 PWM 同步信號時生成中斷。 采樣值計數方面的延遲實際上是 sinc3 脈沖響應的一半。

圖 4：sinc3 濾波器的脈沖響應。

在典型的控制系統中，PWM 定時器的零階保持效應遠超脈沖響應的一半，因此 SINC 濾波器不會嚴重影響環路定時。 通過利用三角積分調制器和定制濾波器，用戶可以自由切換 SINC 濾波器延遲以獲得采樣值分辨率。 這一靈活性在設計電機控制算法時是一大優勢。 通常算法的某些部分對延遲敏感，但對反饋的準確度不太敏感。 算法的其他部分與較低動態結合使用，并受益于準確度，但對延遲不太敏感。

圖 5：定時捕獲 sync 信號。

考慮一個比例積分控制器 (PI) 算法。 P 部分和 I 元件可采用相同的反饋信號。 但是，可以分離 P 路徑和 I 路徑，并將反饋信號與不同類型的濾波功能結合使用。 在 PI 控制器中，P 元件主要用于抑制負載和速度的快速變化效應。 因此，它需要能對信號電平的快速變化做出響應。 I 元件專注于穩態性能，更側重于測量準確度。 因此，P 元件可受益于低分辨率、快速更新率的電流反饋信號，意味著 sinc3 濾波器的過采樣和抽取率較低。 I 元件將受益于較高的過采樣率，并可承受所產生的更新率下降。

需要更加注意的是，在處理較大負載的系統中使用三角積分調制器時，另一個需要考慮的因素是隔離。 一個選擇是，只使用隔離放大器并為模數轉換采用一個非隔離式調制器，或在調制器的輸出與用于數字濾波的器件輸入之間放置一個光耦合器。 另外，也可選擇隔離式三角積分調制器。 通過利用隔離式調制器，可以免除模擬過電流保護電路，因為數字濾波器還可采用可消除過電流效應的配置。

AD7403 由 Analog Devices 提供，便是這樣一個例子。 通過實施二階調制器，此器件允許靈活選擇分流器規格，并提供 14 位以上的有效位數以及 20 MHz 的輸出流速率。 通過利用適當的數字濾波器，此器件可以 78100 次采樣/秒實現 88 dB 的信噪比。 此隔離方案使用該公司的 iCoupler 技術，公司聲明該方案超過了典型光耦合器排列結構的性能。

由于加入隔離等功能，以及越來越多微控制器和可編程邏輯器件的濾波性能在增強，設計師可以繼續為機器人應用優化電機控制。