萊姆電流傳感器在數(shù)字伺服驅(qū)動(dòng)器中的應(yīng)用及全數(shù)字伺服電流環(huán)設(shè)計(jì)(08-100)

　　數(shù)字伺服電流環(huán)設(shè)計(jì)概要

　　電流環(huán)由電流調(diào)節(jié)器和逆變器組成，其作用是使電機(jī)繞組電流實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確地跟蹤電流參考信號(hào)，電流控制器主要有線性電流控制器、滯環(huán)電流控制器和預(yù)測(cè)電流控制器三種。在線性電流控制器中，電機(jī)繞組電流與參考電流相比較，其差值通過PI控制器與三角波信號(hào)相比較，從而產(chǎn)生PWM信號(hào)控制逆變器。其優(yōu)點(diǎn)是逆變器的開關(guān)頻率固定，缺點(diǎn)是易產(chǎn)生相移和系統(tǒng)延遲。在線性電流控制系統(tǒng)中，PWM開關(guān)頻率的變化對(duì)轉(zhuǎn)矩波動(dòng)的影響不是很大，因此PWM開關(guān)頻率的選擇應(yīng)主要以適應(yīng)電機(jī)的轉(zhuǎn)速范圍為依據(jù)，而并不是越高越好。在滯環(huán)電流控制器中，電機(jī)繞組電流與參考電流利用滯環(huán)比較器進(jìn)行比較，滯環(huán)比較器的輸出用于控制逆變器。其優(yōu)點(diǎn)是瞬態(tài)響應(yīng)能力好，不存在相稱和系統(tǒng)延遲，缺點(diǎn)是逆變器的開關(guān)頻率不固定。采用滯環(huán)電流控制時(shí)，帶寬對(duì)電機(jī)的轉(zhuǎn)矩波動(dòng)影響很大，為了減小轉(zhuǎn)矩波動(dòng)宜采用較小的帶寬，但是帶寬的減小受到逆變器開關(guān)能力的限制，這在設(shè)計(jì)時(shí)需要綜合考慮。在預(yù)測(cè)電流控制器中，利用繞組實(shí)際電流的采樣值與參考電流的采樣值及電機(jī)的電壓方程，計(jì)算出強(qiáng)迫實(shí)際電流跟隨參考電流所需的電壓，通過PWM控制逆變器，采用積分補(bǔ)償環(huán)節(jié)，可以有效地彌補(bǔ)電機(jī)參數(shù)變化對(duì)電壓計(jì)算結(jié)果的影響，這種電流控制方法具有良好的穩(wěn)態(tài)和動(dòng)態(tài)性能，其缺點(diǎn)是結(jié)構(gòu)復(fù)雜并需要高速微處理器。

　　伺服系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)及電流傳感器選型

　　交流伺服系統(tǒng)主要由五部分組成：永磁同步電動(dòng)機(jī)，電源模塊，驅(qū)動(dòng)與逆變電路模塊，速度與位置檢測(cè)電路模塊以及控制電路模塊。控制電路模塊包括核心控制芯片,人機(jī)界面和通訊模塊四大部分;驅(qū)動(dòng)與逆變電路模塊包括逆變器主電路，電壓/電流采樣電路，過壓/欠壓保護(hù)、上電限流保護(hù)與制動(dòng)電路等,以下介紹核心控制芯片,逆變電模塊(IPM)及著重介紹電流傳感器的選型。

　　伺服的核心控制芯片采用TI公司最新的電機(jī)專用控制芯片TMS320F2812。與其它同類DSP相比它有以下突出性能:采用高性能的靜態(tài)CMOS技術(shù),主頻可以達(dá)到150MIPS,使得指令周期縮短到6.67ns(150MHz),并采用32位操作,從而大大提高處理能力;低功耗,供電電壓降為1.8V(內(nèi)核)和3.3V(I/O);片內(nèi)高達(dá)128K字的FLASH程序存儲(chǔ)器,18K的SARAM和4K的ROM;具有12位的A/D轉(zhuǎn)換器,最小轉(zhuǎn)換時(shí)間為80ns等。

　　逆變電路使用的是三菱公司的IPM模塊PS21867，該款智能功率模塊采用第5 代IGBT 工藝，內(nèi)置優(yōu)化后的柵級(jí)驅(qū)動(dòng)和保護(hù)電路，以不可思議的超小型體積，輸出功率強(qiáng)勁的三相波形。它具有以下突出性能:完整的功率輸出電路，直接連接負(fù)載;內(nèi)置柵極驅(qū)動(dòng)電路;短路保護(hù);驅(qū)動(dòng)電壓欠壓保護(hù);采用第五代低功耗IGBT 管芯;超小型體積，僅重65克。

　　因?yàn)椴蓸拥木群退俣戎苯訉?dǎo)致整個(gè)電流環(huán)的運(yùn)算精度，從而直接對(duì)系統(tǒng)的性能產(chǎn)生非常重大的影響。而在電量參數(shù)測(cè)量領(lǐng)域內(nèi)，作為首屈一指的領(lǐng)導(dǎo)廠商萊姆(LEM)公司的霍爾電流傳感器由于其穩(wěn)定可靠的產(chǎn)品性能成為本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的首選。型號(hào)為LTS25-NP。此款傳感器采用的是單電源供電,相對(duì)于采用雙電源供電的傳感器, 萊姆傳感器在外圍的硬件電路設(shè)計(jì)上更加簡單,不需要增加電壓抬升電路(雙電源供電的傳感器必須增加電壓抬升電路使負(fù)電壓轉(zhuǎn)換為正電壓后才能進(jìn)入DSP)從而減少電源對(duì)系統(tǒng)的干擾.。此款傳感器另一優(yōu)點(diǎn)是溫漂小,精度高;而且內(nèi)置采樣電阻,其輸出端是電壓型輸出,避免了因增加外接采樣電阻以及運(yùn)放后進(jìn)入DSP使精度有所降低. LTS25-NP型傳感器的具體特點(diǎn)和性能參數(shù)如下：原邊額定電流有效值IPN：25A;原邊電流測(cè)量范圍IP：0～±80A;供電電壓: +5V;輸出電壓Vout?：2.5±0.625V;轉(zhuǎn)換率KN=NP ：NS為：1：2000;總精度：±0.2%;線性度：小于0.1%;反應(yīng)時(shí)間：小于500ns。

　　圖3 閉環(huán)電流霍爾傳感器原理圖

　　該傳感器有正極(+5)、測(cè)量端(OUT)及地(0)三個(gè)管腳，如圖3所示。其工作原理如下：該款傳感器是閉環(huán)霍爾電流傳感器,使用霍爾器件作為核心敏感元件、用于隔離檢測(cè)電流的模塊化產(chǎn)品，其工作原理是霍爾磁平衡式的(或稱霍爾磁補(bǔ)償式、霍爾零磁通式)。當(dāng)電流流過一根長的直導(dǎo)線時(shí)，在導(dǎo)線周圍產(chǎn)生磁場，磁場的大小與流過導(dǎo)線的電流的大小成正比，這一磁場可以通過軟磁材料來聚集，然后用霍爾器件進(jìn)行檢測(cè)，由于磁場的變化與霍爾器件的輸出電壓信號(hào)有良好的線性關(guān)系，因此，可以用測(cè)得的輸出信號(hào)，直接反應(yīng)導(dǎo)線中電流的大小。為防止干擾，在霍爾傳感器的供電電源端和地端單獨(dú)并接一只1uF的退耦濾波電容。

　　LEM傳感器與電流檢測(cè)電路

　　電流檢測(cè)電路是把永磁同步電機(jī)的三相定子電流經(jīng)傳感器后進(jìn)入DSP轉(zhuǎn)換成是數(shù)字形式并進(jìn)行一系列的變換,由于本系統(tǒng)是三相平衡系統(tǒng):Ia+Ib+Ic=0; 因此只需要檢測(cè)其中兩相電流,就可以得到三相電流。由永磁同步電機(jī)的數(shù)學(xué)模型可知, 定子電流檢測(cè)的精度和實(shí)時(shí)性是整個(gè)矢量控制系統(tǒng)精度的關(guān)鍵, 因此本系統(tǒng)采用LTS25-NP.型傳感器來檢測(cè)電流。

　　在本系統(tǒng)中，由兩個(gè)LEM模塊檢測(cè)A相和B相的電流. 在實(shí)際調(diào)試中，由于經(jīng)過傳感器出來的電流信號(hào)有高次偕波及其它干擾信號(hào)，因此必需要設(shè)計(jì)濾波器把高次偕波及其它干擾信號(hào)抑制掉。結(jié)合實(shí)際情況考慮，本文設(shè)計(jì)了帶有電壓跟隨的二階低通濾波器的電流檢測(cè)電路，具體原理圖如圖4所示。

　　圖4 電流檢測(cè)及模擬二階低通濾波器設(shè)計(jì)電路

　　在圖4中，二階低通濾波器參數(shù)選擇及計(jì)算一般按照以下公式：

　　式中表示低通濾波器的截止頻率。在本設(shè)計(jì)中取電阻R=10KΩ，C3=0.1μ,C4=0.05μ。因此計(jì)算出濾波器的截止頻率為224Hz。經(jīng)過上述的設(shè)計(jì)后，從濾波器出來的信號(hào)基本上是不含有高次偕波及其它干擾源的電流信號(hào)，這個(gè)信號(hào)通過后級(jí)電路放大及限幅處理后使電壓幅值限定在0—3V內(nèi)再進(jìn)入DSP進(jìn)行處理。