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在伺服驅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。
一、Shunt 電阻誤差的影響
速度波動是伺服驅動器性能的重要指標,它反映的是轉矩波動,而轉矩波動會導致控制精度下降。伺服驅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)并且補償掉,如果是采樣數據不準,引入了 offset,那么經過軟件的補償,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,從而導致電機轉矩輸出不均勻,進而產生轉矩波動,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。
二、金屬的熱電偶效應
在實際場景中,伺服驅動工作一段時間后速度波動變大,FFT 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
根據實驗結果,溫度升高后,并不是電阻自身的阻值發生了較大的變化,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,會發生自由電子的擴散現象。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,達到動態平衡。

圖3. 熱電偶效應
從公式可以看出,熱電偶效應產生的電壓源大小和溫度有關,和金屬的材質有關。 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,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
三、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
四、結論與建議
Shunt 電阻作為電流采樣中的關鍵器件,其封裝結構和焊接方式直接影響系統的偏移誤差表現。 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,仍會引入系統性偏移。因此,在高精度電流采樣場景中,推薦優先選用熱結構對稱性更好、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,提升系統穩定性與控制精度。 NSI1306 作為一款基于納芯微電容隔離技術的高性能 Σ-Δ 調制器,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調制與同步輸出,結合數字濾波可實現高分辨率與信噪比,還具備故障安全功能,進一步保障高精度采樣系統的穩定運行。
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