羅 映 萬(wàn)超
（華南理工大學(xué) 廣東 廣州 510640）
摘 要 ： 伺服電機(jī)控制系統(tǒng)中，精確的電流采樣是實(shí)現(xiàn)高性能閉環(huán)控制系統(tǒng)的關(guān)鍵。本文針對(duì)電流檢測(cè)常用的三種方案進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)和比較，獲得了三種方案各自優(yōu)勢(shì)和缺點(diǎn)的清晰認(rèn)識(shí)，這對(duì)基于不同的條件選擇合適的電流檢測(cè)方案提供了參考。
關(guān)鍵字： 電機(jī)控制 伺服系統(tǒng) 電流環(huán) 電流檢測(cè)
Comparison of the three schemes of current sampling in the controlling system of servo motor
LUO Ying Wan Chao
(South China university of technology, Guangzhou 510640 , China)
Abstract: in the controlling system of servo motor, accurate current sampling is the key of realizing the high-powered close loop controlling system. In this paper, aim at three normal schemes of current sampling, do some experiments and compare the results, then obtain very clear cognition about the advantages and the faults of the schemes respectively, that can supply the reference for choosing proper scheme of current sampling in the base of different situation.
Key words: motor controlling, servo system, the loop of current, current sampling
1 前言
對(duì)于數(shù)字化伺服電機(jī)控制系統(tǒng)，轉(zhuǎn)矩環(huán)的性能直接影響著系統(tǒng)的控制效果，電流采樣的精度和實(shí)時(shí)性很大程度上決定了系統(tǒng)的動(dòng)、靜態(tài)性能，精確的電流檢測(cè)是提高系統(tǒng)控制精度、穩(wěn)定性和快速性的重要環(huán)節(jié)，也是實(shí)現(xiàn)高性能閉環(huán)控制系統(tǒng)的關(guān)鍵。在伺服電機(jī)控制系統(tǒng)中，電流檢測(cè)的方案有多種，常見的一種方案是使用霍耳傳感器[1] ，將電流信號(hào)經(jīng)過電磁轉(zhuǎn)換，變換為直流電壓信號(hào)輸出，然后，通過運(yùn)放和比較器構(gòu)成的處理電路處理后，輸入到處理器；另一種方案是，取采樣電阻兩端的電壓，經(jīng)線性光藕或者隔離放大器進(jìn)行信號(hào)隔離，調(diào)理后接A/D轉(zhuǎn)換器輸入進(jìn)行數(shù)字化，獲取電流的采樣值，而數(shù)字化的過程即可以利用處理器中的A/D轉(zhuǎn)換通道實(shí)現(xiàn)[3] [4] ，也可以利用根據(jù) 原理實(shí)現(xiàn)的模擬量直接轉(zhuǎn)換為數(shù)字量的隔離調(diào)制芯片來實(shí)現(xiàn)[2] 。本文通過對(duì)這三種方案分別進(jìn)行電路設(shè)計(jì)和具體實(shí)驗(yàn)后所得結(jié)果的比較分析，對(duì)三種方案各自的特點(diǎn)有了清晰的認(rèn)識(shí)，這有利于基于不同的條件選擇合適的方案來提高伺服控制系統(tǒng)的整體性能。
2 伺服電機(jī)控制系統(tǒng)簡(jiǎn)介
本系統(tǒng)采用交直交電壓型變頻電路，主電路由整流電路、濾波電路及智能功率模塊IPM逆變電路構(gòu)成，控制部分以DSP芯片TMS320LF2812為核心，CPLD作為輔助處理模塊，構(gòu)成功能齊全的全數(shù)字矢量控制系統(tǒng)，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示，從圖1可以看出，本系統(tǒng)是一個(gè)有電流、轉(zhuǎn)速和位置負(fù)反饋的三閉環(huán)系統(tǒng)， DSP負(fù)責(zé)采樣各相電流，計(jì)算電機(jī)的轉(zhuǎn)速和位置，最后運(yùn)用矢量控制算法，得到電壓矢量PWM控制信號(hào)，經(jīng)過光藕隔離電路后，驅(qū)動(dòng)逆變器功率開關(guān)器件；同時(shí)DSP還監(jiān)控變頻調(diào)速系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)，當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)短路、過流、過壓、過熱等故障時(shí)，DSP將封鎖SVPWM信號(hào)，使電機(jī)停機(jī)，并通過LED顯示。CPLD模塊負(fù)責(zé)對(duì)光柵尺反饋的位置信息和上位機(jī)發(fā)送脈沖形式指令信息進(jìn)行濾波和計(jì)數(shù)，并將數(shù)據(jù)以總線方式傳送給DSP；同時(shí)處理鍵盤輸入和顯示輸出，以及開關(guān)量的輸入輸出。
伺服電機(jī)控制系統(tǒng)中電流采樣的作用就是檢測(cè)交流同步電動(dòng)機(jī)的三相定子電流并轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的信號(hào)輸入到DSP中，再由DSP的AD模塊轉(zhuǎn)化成數(shù)字量進(jìn)行處理。因?yàn)楸疚难芯康氖侨嗥胶庀到y(tǒng)Ia＋I(xiàn)b+Ic=0，因此只要檢測(cè)其中的兩路電流，就可以得到三相電流。
圖1 全閉環(huán)立式加工中心的控制框圖
3 三種電流采樣方案的分析與比較
3.1 利用霍耳傳感器采樣電流
3.3.1 LEM霍耳傳感器介紹
采用霍爾電流傳感器（LEM模塊）-- LA25-NP對(duì)電流進(jìn)行檢測(cè)。霍爾器件根據(jù)磁補(bǔ)償原理制作而成，它可傳感從直流到數(shù)百千赫茲的信號(hào)。它突出的特點(diǎn)是在整個(gè)工作區(qū)域內(nèi)輸出特性是線性的，功耗小，重量輕，溫度穩(wěn)定性好，測(cè)量頻帶寬，能測(cè)量各種波形的電流，而且電隔離，輸出為電壓信號(hào)或電流信號(hào)，精度普遍較高，因而使用極為方便可靠，是理想的電流傳感器；但是成本較高。
3.2.1 電流采樣電路設(shè)計(jì)
電流采樣電路如圖2所示，由于TMS320F2812片內(nèi)的ADC模塊要求輸入0～3V的單極信號(hào)，必須將LEM輸出的小電流信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，再經(jīng)過放大濾波后輸入DSP。因此，設(shè)計(jì)了如圖2所示的電路來進(jìn)行信號(hào)的轉(zhuǎn)換，圖2中R1為霍爾傳感器件所允許的負(fù)載電阻，考慮到霍爾器件的輸出電流信號(hào)較弱，選用運(yùn)放構(gòu)成反相放大器，反相放大器的輸入阻抗很高，R2的影響可以忽略，反相端通過可調(diào)電阻輸入的參考電壓為2V，設(shè)定電機(jī)的最大啟動(dòng)電流為 20A，當(dāng)I = 20A時(shí)，對(duì)應(yīng)的ADC輸入為3V；當(dāng)I = －20A時(shí)，對(duì)應(yīng)的 ADC輸入為0V；I = 0時(shí)，ADC的輸入為1.5V，將具有正負(fù)極性的電流反饋信號(hào)轉(zhuǎn)換為單極信號(hào)送入DSP。
圖2
3.3.2 電流采樣實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)
表1中的數(shù)據(jù)為電流檢測(cè)電路的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，從表中數(shù)據(jù)可知相對(duì)誤差均小于 1％，說明采用LEM霍爾傳感器檢測(cè)電流具有較高的準(zhǔn)確度。
表1
實(shí)際采樣電流值(A)
實(shí)際采樣電壓值(V)
運(yùn)放的輸出電壓值(V)
3
2.577
1.576
2
2.549
1.549
1
2.526
1.527
0
2.501
1.500
-1
2.475
1.474
-2
2.451
1.451
-3
2.424
1.425
3.2 利用采樣電阻結(jié)合A/D轉(zhuǎn)換隔離調(diào)制芯片采樣電流
3.2.2 7860以及接口芯片0872介紹[5]
HCPL-7860/0872是Agilent公司的兩款用于隔離A/D轉(zhuǎn)換的IC，其典型應(yīng)用電路如圖3所示，其中HCPL-7860為隔離調(diào)制器部分，HCPL-0872為數(shù)字接口部分,它們一起組合成一套隔離可編程雙芯片A/D轉(zhuǎn)換器。HCPL-7860/0872組成的可編程A/D轉(zhuǎn)換器具有12位的線性度，轉(zhuǎn)換時(shí)間為800nS，可提供5種轉(zhuǎn)換模式，輸入電壓范圍為-200mV～+200mV，單5V電源供給，HCPL-7860內(nèi)部分為轉(zhuǎn)換編碼模塊和譯碼模塊，轉(zhuǎn)換編碼模塊包含一個(gè)
式過采樣A/D轉(zhuǎn)換器，它將輸入的低帶寬模擬電壓信號(hào)轉(zhuǎn)化為一位高速串行數(shù)據(jù)流，該高速數(shù)據(jù)流和采樣時(shí)鐘的編碼后通過隔離帶傳輸至譯碼模塊，譯碼模塊接收到數(shù)據(jù)解碼后，將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成分離的高速時(shí)鐘和數(shù)據(jù)通道，再由HCPL-0872進(jìn)行下一步處理。
HCPL-0872將輸入的串行數(shù)據(jù)流轉(zhuǎn)化為15位的字輸出，它支持SPI、QSPI及MICROWIRE三種同步串行接口協(xié)議，可與微控制器直接連接，HCPL-0872可支持5種不同的轉(zhuǎn)換模式，3種不同的預(yù)觸發(fā)模式，偏移校準(zhǔn)，快速超范圍偵測(cè)，以及可調(diào)的門限偵測(cè)等功能，這些可編程特性通過串行配置端口配置，另外，HCPL-0872還支持多路復(fù)用，因此可輸入兩路數(shù)字信號(hào)進(jìn)行處理。
圖4示意了一個(gè)完整的轉(zhuǎn)換周期時(shí)序圖，一個(gè)轉(zhuǎn)換周期在轉(zhuǎn)換開始信號(hào)CS的下降沿開始，CS在整個(gè)轉(zhuǎn)換周期保持為低電平，當(dāng)CS變?yōu)榈碗娖胶螅袛?shù)據(jù)輸出線SDAT從高阻態(tài)變?yōu)榈碗娖剑甘巨D(zhuǎn)換正在進(jìn)行，轉(zhuǎn)換完成后，SDAT信號(hào)的上升沿指示數(shù)據(jù)準(zhǔn)備同步輸出，輸出數(shù)據(jù)在串行時(shí)鐘脈沖SCLK信號(hào)的下降沿被同步，并且高位數(shù)據(jù)(MSB)首先發(fā)送，總共需要16個(gè)脈沖進(jìn)行數(shù)據(jù)同步，在最后一個(gè)時(shí)鐘脈沖后，CS再一次變成高電平，SDAT變回高阻態(tài)，完成一次轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換時(shí)間Tc取決于所選的轉(zhuǎn)換模式，最小為800nS。
式過采樣A/D轉(zhuǎn)換器，它將輸入的低帶寬模擬電壓信號(hào)轉(zhuǎn)化為一位高速串行數(shù)據(jù)流，該高速數(shù)據(jù)流和采樣時(shí)鐘的編碼后通過隔離帶傳輸至譯碼模塊，譯碼模塊接收到數(shù)據(jù)解碼后，將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成分離的高速時(shí)鐘和數(shù)據(jù)通道，再由HCPL-0872進(jìn)行下一步處理。
