來源：納芯微電子

在伺服驅(qū)動器的相電流采樣中，速度波動是影響控制精度的關鍵問題，其根源往往與 Shunt 電阻的熱電偶效應相關。本文以 NSI1306 隔離 ΣΔADC 的應用為例，首先剖析 Shunt 電阻誤差如何引發(fā)速度波動，再深入解析金屬熱電偶效應的形成機理；隨后對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熱電偶效應的放大或抑制作用；最后提出減小該效應的實用設計建議，為提升相電流采樣精度提供參考。

01Shunt 電阻誤差的影響

速度波動是伺服驅(qū)動器性能的重要指標，它反映的是轉(zhuǎn)矩波動，而轉(zhuǎn)矩波動會導致控制精度下降。

伺服驅(qū)動器通過角度編碼器讀取速度和角度，并通過相電流檢測讀取電流，采樣信息的準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反映電機的電流，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 MCU 可根據(jù)控制需求靈活配置抽取率，在精度與響應速度之間取得平衡。

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 誤差會引入一個電周期一次的速度波動。

在零電流時會校準一次相電流的 offset，運行過程中會計算每一相電流的 offset（一個周期的值相加）并且補償?shù)?，如果是采樣?shù)據(jù)不準，引入了 offset，那么經(jīng)過軟件的補償，反而會導致真正的相電流 offset，破壞電流波形的對稱性，引入諧波分量，改變磁場分布，從而導致電機轉(zhuǎn)矩輸出不均勻，進而產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩波動，導致速度波動。相電流偏移的軟件補償是一個電周期補償一次，所以速度波動也是一個電周期一次。

02金屬的熱電偶效應

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

對 PCB 加熱，速度波動加劇，以此推測該 offset 和溫度強相關。經(jīng)測試，更換 2512 貼片封裝 Shunt 電阻后恢復正常，排查出是幾字型 Shunt 電阻的問題。

加熱對比測試，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，再加熱測試，幾字型 Shunt 電阻的偏差變得很大。交換電橋的正負極，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)實驗結(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。

熱電偶效應如圖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，會發(fā)生自由電子的擴散現(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 帶負電，直至 AB 之前形成足夠大的電場阻止電子擴散，達到動態(tài)平衡。

圖3. 熱電偶效應

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

在電路中，Shunt 電阻的熱電偶等效示意如圖4，對于幾字型 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。因此可以認為溫度都是相等的。對熱電偶效應有影響的只有金屬材質(zhì)，兩者對比如表 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電路對熱電偶效應的影響

如圖4，熱電偶效應是兩端對稱的， NSI306 是差分采樣，理論上可以抵消熱電偶產(chǎn)生的信號源，但實測可以看到明顯的熱電偶效應。

分析采樣電路，如圖5所示，可以看到 RSENSE （檢測電阻）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，當上管導通的時候 INP 端的熱電偶通過電感連接到 BUS+，上管關斷的時候懸空；當上管導通的時候 INN 端的熱電偶直接連接到 BUS+，下管導通的時候直接接到 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)。

本文通過實測與理論分析，指出熱電偶效應是高溫下造成速度波動的重要干擾源，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，但在實際電路中由于共模阻抗不一致，仍會引入系統(tǒng)性偏移。因此，在高精度電流采樣場景中，推薦優(yōu)先選用熱結(jié)構(gòu)對稱性更好、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景高度適配，能精準對接貼片封裝 Shunt 電阻的電流檢測需求，通過二階Σ-Δ調(diào)制與同步輸出，結(jié)合數(shù)字濾波可實現(xiàn)高分辨率與信噪比，還具備故障安全功能，進一步保障高精度采樣系統(tǒng)的穩(wěn)定運行。

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

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