萊姆電流傳感器在數(shù)字伺服驅(qū)動器中的應用及全數(shù)字伺服電流環(huán)設計(08-100)

　　數(shù)字伺服電流環(huán)設計概要

　　電流環(huán)由電流調(diào)節(jié)器和逆變器組成，其作用是使電機繞組電流實時、準確地跟蹤電流參考信號，電流控制器主要有線性電流控制器、滯環(huán)電流控制器和預測電流控制器三種。在線性電流控制器中，電機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相比較，從而產(chǎn)生PWM信號控制逆變器。其優(yōu)點是逆變器的開關頻率固定，缺點是易產(chǎn)生相移和系統(tǒng)延遲。在線性電流控制系統(tǒng)中，PWM開關頻率的變化對轉矩波動的影響不是很大，因此PWM開關頻率的選擇應主要以適應電機的轉速范圍為依據(jù)，而并不是越高越好。在滯環(huán)電流控制器中，電機繞組電流與參考電流利用滯環(huán)比較器進行比較，滯環(huán)比較器的輸出用于控制逆變器。其優(yōu)點是瞬態(tài)響應能力好，不存在相稱和系統(tǒng)延遲，缺點是逆變器的開關頻率不固定。采用滯環(huán)電流控制時，帶寬對電機的轉矩波動影響很大，為了減小轉矩波動宜采用較小的帶寬，但是帶寬的減小受到逆變器開關能力的限制，這在設計時需要綜合考慮。在預測電流控制器中，利用繞組實際電流的采樣值與參考電流的采樣值及電機的電壓方程，計算出強迫實際電流跟隨參考電流所需的電壓，通過PWM控制逆變器，采用積分補償環(huán)節(jié)，可以有效地彌補電機參數(shù)變化對電壓計算結果的影響，這種電流控制方法具有良好的穩(wěn)態(tài)和動態(tài)性能，其缺點是結構復雜并需要高速微處理器。

　　伺服系統(tǒng)的硬件設計及電流傳感器選型

　　交流伺服系統(tǒng)主要由五部分組成：永磁同步電動機，電源模塊，驅(qū)動與逆變電路模塊，速度與位置檢測電路模塊以及控制電路模塊?？刂齐娐纺K包括核心控制芯片,人機界面和通訊模塊四大部分;驅(qū)動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、上電限流保護與制動電路等,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,主頻可以達到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128K字的FLASH程序存儲器,18K的SARAM和4K的ROM;具有12位的A/D轉換器,最小轉換時間為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)化后的柵級驅(qū)動和保護電路，以不可思議的超小型體積，輸出功率強勁的三相波形。它具有以下突出性能:完整的功率輸出電路，直接連接負載;內(nèi)置柵極驅(qū)動電路;短路保護;驅(qū)動電壓欠壓保護;采用第五代低功耗IGBT 管芯;超小型體積，僅重65克。

　　因為采樣的精度和速度直接導致整個電流環(huán)的運算精度，從而直接對系統(tǒng)的性能產(chǎn)生非常重大的影響。而在電量參數(shù)測量領域內(nèi)，作為首屈一指的領導廠商萊姆(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)設計的首選。型號為LTS25-NP。此款傳感器采用的是單電源供電,相對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計上更加簡單,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電壓轉換為正電壓后才能進入DSP)從而減少電源對系統(tǒng)的干擾.。此款傳感器另一優(yōu)點是溫漂小,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放后進入DSP使精度有所降低. LTS25-NP型傳感器的具體特點和性能參數(shù)如下：原邊額定電流有效值IPN：25A;原邊電流測量范圍IP：0～±80A;供電電壓: +5V;輸出電壓Vout?：2.5±0.625V;轉換率KN=NP ：NS為：1：2000;總精度：±0.2%;線性度：小于0.1%;反應時間：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)、測量端(OUT)及地(0)三個管腳，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(或稱霍爾磁補償式、霍爾零磁通式)。當電流流過一根長的直導線時，在導線周圍產(chǎn)生磁場，磁場的大小與流過導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，然后用霍爾器件進行檢測，由于磁場的變化與霍爾器件的輸出電壓信號有良好的線性關系，因此，可以用測得的輸出信號，直接反應導線中電流的大小。為防止干擾，在霍爾傳感器的供電電源端和地端單獨并接一只1uF的退耦濾波電容。

　　LEM傳感器與電流檢測電路

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

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

　　圖4 電流檢測及模擬二階低通濾波器設計電路

　　在圖4中，二階低通濾波器參數(shù)選擇及計算一般按照以下公式：

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