用于工业应用的Sigma-Delta数字输出电流传感器
用于精密伺服驱动控制的数字输出电流传感器
电流传感器是工厂自动化的核心。它们提供精确电机控制所需的电流反馈，有助于保护设备和操作人员，并支持高效运行。在伺服驱动器和变频器驱动系统中，精确的电流测量直接有助于扭矩和转速调节，而快速的过流和短路检测则有助于防止设备损坏。
随着工业运动系统对精度、可靠性和集成度的要求日益提高，具有Sigma-Delta（ΣΔ）数字输出的传感器为传统的模拟信号链提供了一种替代方案。其比特流输出具有很强的抗干扰能力，可简化与数字控制器的连接，并支持用户端进行灵活的滤波处理。
为什么西格玛-德尔塔电流检测在数字运动控制中至关重要
精确的电流反馈，实现精准运动
伺服电机和机器人轴依赖于精确的电流反馈来控制扭矩、位置和速度。Sigma-Delta电流传感器可提供高分辨率、低噪声的数字输出，从而实现平稳运动和精确定位。
高压环境中的电隔离
伺服系统和工业机器人需在高压环境及快速开关的电力电子设备旁运行。内置的电隔离将测量端与控制电子设备隔离开来，从而保障系统安全，并增强其抵御电气干扰的能力。
存在电气噪声的系统中的数
与传输模拟电压不同，Sigma-Delta传感器输出的是数字位流。该信号不易受电磁干扰影响，可在苛刻的工业环境中实现长距离的可靠传输。
面向微控制器和DSP的更简便的接口
微控制器或数字信号处理器可利用数字滤波器（例如sinc滤波器）对比特流进行解码。将该滤波和转换功能移至控制器中，既减少了对复杂模拟信号链的需求，又使输出格式能够适应系统架构。
多轴系统的同步反馈
多轴机器人和机床需要确保多个驱动器之间的电流测量值保持一致。Sigma-Delta传感器可以共享一个公共时钟，从而帮助实现各轴之间的测量同步。此外，数字接口还可以减少对昂贵模拟输入通道的需求。
图1. 典型的多轴伺服驱动拓扑结构及代表性的电流检测位置。
这一原理同样适用于不同的运动架构。六轴机器人使用六个伺服电机，而机床则可能将三个定位轴与主轴伺服驱动器相结合。在这两种情况下，都需要在控制各电机的变频器级上进行电流反馈。
从初级电流到西格玛-德尔塔位流
在高精度、紧凑型电流传感器中添加一个Σ-Δ调制器，可以改变模拟-数字转换的完成位置。该传感器产生一位数据流，而用户则负责选择并实现数字滤波器。这提供了一种根据具体应用直接平衡分辨率与响应时间的方法。
图2. 具有隔离输出和Sigma-Delta调制的开环电流传感器架构。
LEM 将一个二阶Σ-Δ调制器集成到一款经过改进的 ASIC 中，用于新一代传感器系列。在生成的输出流中，逻辑“1”的密度随被测主电流的变化而变化。
图3. 将测量波形转换为σ-δ位流的示意图。
传递函数可表示为0到1之间的“1”的平均密度。经过滤波后，同一测量值可表示为0到65,535之间的16位字。在从 −IPM 到 +IPM 的指定测量范围内，数字输出涵盖了 0.1 到 0.9 的平均密度。等效的模拟传感器输出范围为其供电电压的 0.1 到 0.9。
图4. 初级电流、归一化数字输出、16位表示与模拟输出之间的关系。
用户自定义过滤：在分辨率与响应时间之间取得平衡
数字滤波器在用户端实现。这最大限度地减少了传感器连接数量，并使设计人员能够选择最适合控制系统的滤波器架构和输出格式。
图5. LEM数字电流传感器与用户端数字滤波器之间的功能划分。
与任何滤波器一样，阶数和带宽决定了测量中的权衡关系。窄带宽可以降低噪声并提高有效分辨率，但也会延长响应时间。宽带宽则能提供更快的响应，但分辨率较低。
一个比特流可通过不同的滤波器进行处理，以实现不同的功能。在下面的示例中，一个 20 kHz 的滤波器提供 12 位分辨率，用于精确的电流测量。第二个带宽更宽的滤波器可在约 5 μs 内检测到超出范围的电流。与此同时，传感器的内部过流检测输出可在 2.7 μs 内识别出短路。
图6. 用于控制回路测量、超限检测和短路保护的滤波器阶数和降采样比示例。
LEM 数字输出电流传感器产品系列
LEM 为伺服驱动和机器人应用提供具有 Sigma-Delta 位流输出的集成式和开环电流传感器。该产品系列涵盖多种安装形式、电流范围和接口选项。
 | HMSR-DA一款专为低噪声电流检测而开发、具有单位Sigma-Delta输出的集成电流传感器。
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 | HO Digital适用于大电流应用的开环霍尔效应电流传感器，采用Sigma-Delta调制输出，提供PCB安装和面板安装两种形式。
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 | HLSR Digital适用于中电流应用的紧凑型PCB安装式电流传感器，具有Sigma-Delta输出。
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图7. 适用于伺服驱动应用的LEM数字输出电流传感器概览。