來源：納芯微電子

在伺服驅(qū)動(dòng)器的相電流采樣中，速度波動(dòng)是影響控制精度的關(guān)鍵問題，其根源往往與 Shunt 電阻的熱電偶效應(yīng)相關(guān)。本文以 NSI1306 隔離 ΣΔADC 的應(yīng)用為例，首先剖析 Shunt 電阻誤差如何引發(fā)速度波動(dòng)，再深入解析金屬熱電偶效應(yīng)的形成機(jī)理；隨后對(duì)比幾字型與貼片封裝等不同 Shunt 電阻的表現(xiàn)差異，以及探討采樣電路對(duì)熱電偶效應(yīng)的放大或抑制作用；最后提出減小該效應(yīng)的實(shí)用設(shè)計(jì)建議，為提升相電流采樣精度提供參考。

01Shunt 電阻誤差的影響

速度波動(dòng)是伺服驅(qū)動(dòng)器性能的重要指標(biāo)，它反映的是轉(zhuǎn)矩波動(dòng)，而轉(zhuǎn)矩波動(dòng)會(huì)導(dǎo)致控制精度下降。

伺服驅(qū)動(dòng)器通過角度編碼器讀取速度和角度，并通過相電流檢測(cè)讀取電流，采樣信息的準(zhǔn)確性決定了控制的效果。以下分析側(cè)重電流采樣。

圖1. NSI1306 電路示意

相線電流采樣可以真實(shí)反映電機(jī)的電流，而低邊采樣存在窗口期，需要重構(gòu)相電流，容易引入誤差。NSI1306 作為隔離 ΣΔADC，輸出碼流，適用于相線電流采樣；同時(shí) MCU 可根據(jù)控制需求靈活配置抽取率，在精度與響應(yīng)速度之間取得平衡。

相電流采樣的誤差主要來自 Shunt 電阻和 NSI1306，下文將重點(diǎn)討論 Shunt 電阻帶來的誤差。

通過電阻的規(guī)格書，電阻的精度和溫漂屬于增益誤差；此外，還存在由熱電偶效應(yīng)引起的偏置（offset）誤差。增益誤差主要影響的是轉(zhuǎn)矩控制精度，電流的 offset 誤差會(huì)引入一個(gè)電周期一次的速度波動(dòng)。

在零電流時(shí)會(huì)校準(zhǔn)一次相電流的 offset，運(yùn)行過程中會(huì)計(jì)算每一相電流的 offset（一個(gè)周期的值相加）并且補(bǔ)償?shù)?，如果是采樣?shù)據(jù)不準(zhǔn)，引入了 offset，那么經(jīng)過軟件的補(bǔ)償，反而會(huì)導(dǎo)致真正的相電流 offset，破壞電流波形的對(duì)稱性，引入諧波分量，改變磁場(chǎng)分布，從而導(dǎo)致電機(jī)轉(zhuǎn)矩輸出不均勻，進(jìn)而產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩波動(dòng)，導(dǎo)致速度波動(dòng)。相電流偏移的軟件補(bǔ)償是一個(gè)電周期補(bǔ)償一次，所以速度波動(dòng)也是一個(gè)電周期一次。

02金屬的熱電偶效應(yīng)

在實(shí)際場(chǎng)景中，伺服驅(qū)動(dòng)工作一段時(shí)間后速度波動(dòng)變大，F(xiàn)FT 分析顯示為一個(gè)電周期一次的速度波動(dòng)，這是相電流的 offset 偏移造成的。

對(duì) PCB 加熱，速度波動(dòng)加劇，以此推測(cè)該 offset 和溫度強(qiáng)相關(guān)。經(jīng)測(cè)試，更換 2512 貼片封裝 Shunt 電阻后恢復(fù)正常，排查出是幾字型 Shunt 電阻的問題。

加熱對(duì)比測(cè)試，幾字型 Shunt 電阻和貼片封裝 Shunt 電阻的偏差都很小，并且電阻溫漂改變的是增益，并不是 offset 。

加上焊錫后，如圖2，再加熱測(cè)試，幾字型 Shunt 電阻的偏差變得很大。交換電橋的正負(fù)極，偏差呈現(xiàn)相反方向的變化，貼片封裝 Shunt 電阻偏差還是很小。

圖2. 幾字型 Shunt 加上焊錫

根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，溫度升高后，并不是電阻自身的阻值發(fā)生了較大的變化，而是存在比較大的熱電偶效應(yīng)。

熱電偶效應(yīng)如圖3所示，不同的金屬的自由電子的密度不同，在 AB 兩金屬的接觸處，會(huì)發(fā)生自由電子的擴(kuò)散現(xiàn)象。電子將從密度大的金屬（A）移向密度小的金屬（B），使 A 帶正電， B 帶負(fù)電，直至 AB 之前形成足夠大的電場(chǎng)阻止電子擴(kuò)散，達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡。

圖3. 熱電偶效應(yīng)

從公式可以看出，熱電偶效應(yīng)產(chǎn)生的電壓源大小和溫度有關(guān)，和金屬的材質(zhì)有關(guān)。

在電路中，Shunt 電阻的熱電偶等效示意如圖4，對(duì)于幾字型 Shunt 電阻和貼片封裝 Shunt 電阻， V3、V4的位置是一樣的，V1、V2位置略有不同，但很近。因此可以認(rèn)為溫度都是相等的。對(duì)熱電偶效應(yīng)有影響的只有金屬材質(zhì)，兩者對(duì)比如表 1 所示。

圖4. Shunt電阻的熱電偶等效示意

表1. 幾字型 Shunt 電阻和貼片封裝 Shunt 電阻

03電路對(duì)熱電偶效應(yīng)的影響

如圖4，熱電偶效應(yīng)是兩端對(duì)稱的， NSI306 是差分采樣，理論上可以抵消熱電偶產(chǎn)生的信號(hào)源，但實(shí)測(cè)可以看到明顯的熱電偶效應(yīng)。

分析采樣電路，如圖5所示，可以看到 RSENSE （檢測(cè)電阻）的兩端共模阻抗并不相同，接 INP 這一端的共模阻抗是大于 INN 端共模阻抗的，當(dāng)上管導(dǎo)通的時(shí)候 INP 端的熱電偶通過電感連接到 BUS+，上管關(guān)斷的時(shí)候懸空；當(dāng)上管導(dǎo)通的時(shí)候 INN 端的熱電偶直接連接到 BUS+，下管導(dǎo)通的時(shí)候直接接到 BUS-。NSI1306 的 INN 端看到的熱電偶電壓明顯小于 INP 端看到的熱電偶電壓。

圖5. 分析采樣電路

結(jié)論與建議

Shunt 電阻作為電流采樣中的關(guān)鍵器件，其封裝結(jié)構(gòu)和焊接方式直接影響系統(tǒng)的偏移誤差表現(xiàn)。

本文通過實(shí)測(cè)與理論分析，指出熱電偶效應(yīng)是高溫下造成速度波動(dòng)的重要干擾源，尤其在幾字型封裝中更為顯著。差分采樣雖然理論上可抵消熱電偶電壓，但在實(shí)際電路中由于共模阻抗不一致，仍會(huì)引入系統(tǒng)性偏移。因此，在高精度電流采樣場(chǎng)景中，推薦優(yōu)先選用熱結(jié)構(gòu)對(duì)稱性更好、焊接界面更少的貼片封裝Shunt電阻，以降低溫漂與熱電勢(shì)干擾，提升系統(tǒng)穩(wěn)定性與控制精度。

NSI1306 作為一款基于納芯微電容隔離技術(shù)的高性能 Σ-Δ 調(diào)制器，其差分輸入特性與該場(chǎng)景高度適配，能精準(zhǔn)對(duì)接貼片封裝 Shunt 電阻的電流檢測(cè)需求，通過二階Σ-Δ調(diào)制與同步輸出，結(jié)合數(shù)字濾波可實(shí)現(xiàn)高分辨率與信噪比，還具備故障安全功能，進(jìn)一步保障高精度采樣系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。

納芯微電子（簡(jiǎn)稱納芯微，科創(chuàng)板股票代碼688052）是高性能高可靠性模擬及混合信號(hào)芯片公司。自2013年成立以來，公司聚焦傳感器、信號(hào)鏈、電源管理三大方向，為汽車、工業(yè)、信息通訊及消費(fèi)電子等領(lǐng)域提供豐富的半導(dǎo)體產(chǎn)品及解決方案。

納芯微以『“感知”“驅(qū)動(dòng)”未來，共建綠色、智能、互聯(lián)互通的“芯”世界』為使命，致力于為數(shù)字世界和現(xiàn)實(shí)世界的連接提供芯片級(jí)解決方案。