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關于數(shù)字化伺服系統(tǒng)電流中三種采樣方案的對比
2022-06-19

前言 對于數(shù)字化伺服電機控制系統(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時性很大程度上決定了系統(tǒng)的動、靜態(tài)性能，精確的電流檢測是提高系統(tǒng)控制精度、穩(wěn)定性和快速性的重要環(huán)節(jié)，也是實現(xiàn)高性能閉環(huán)控制系統(tǒng)的關鍵。在伺服電機控制系統(tǒng)中，電流檢測的方案有多種，常見的一種方案是使用霍耳傳感器，將電流信號經(jīng)過電磁轉(zhuǎn)換，變換為直流電壓信號輸出，然后，通過運放和比較器構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行信號隔離，調(diào)理后接A/D轉(zhuǎn)換器輸入進行數(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)換通道實現(xiàn)，也可以利用根據(jù) 原理實現(xiàn)的模擬量直接轉(zhuǎn)換為數(shù)字量的隔離調(diào)制芯片來實現(xiàn)。本文通過對這三種方案分別進行電路設計和具體實驗后所得結(jié)果的比較分析，對三種方案各自的特點有了清晰的認識，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。 1、伺服電機控制系統(tǒng)簡介 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逆變電路構成，控制部分以DSP芯片TMS320LF2812為核心，CPLD作為輔助處理模塊，構成功能齊全的全數(shù)字矢量控制系統(tǒng)，系統(tǒng)結(jié)構如圖1所示，從圖1可以看出，本系統(tǒng)是一個有電流、轉(zhuǎn)速和位置負反饋的三閉環(huán)系統(tǒng)， DSP負責采樣各相電流，計算電機的轉(zhuǎn)速和位置，最后運用矢量控制算法，得到電壓矢量PWM控制信號，經(jīng)過光藕隔離電路后，驅(qū)動逆變器功率開關器件；同時DSP還監(jiān)控變頻調(diào)速系統(tǒng)的運行狀態(tài)，當系統(tǒng)出現(xiàn)短路、過流、過壓、過熱等故障時，DSP將封鎖SVPWM信號，使電機停機，并通過LED顯示。CPLD模塊負責對光柵尺反饋的位置信息和上位機發(fā)送脈沖形式指令信息進行濾波和計數(shù)，并將數(shù)據(jù)以總線方式傳送給DSP；同時處理鍵盤輸入和顯示輸出，以及開關量的輸入輸出。 伺服電機控制系統(tǒng)中電流采樣的作用就是檢測交流同步電動機的三相定子電流并轉(zhuǎn)換成相應的信號輸入到DSP中，再由DSP的AD模塊轉(zhuǎn)化成數(shù)字量進行處理。因為本文研究的是三相平衡系統(tǒng)Ia＋Ib+Ic=0，因此只要檢測其中的兩路電流，就可以得到三相電流。 2、三種電流采樣方案的分析與比較 2.1 利用霍耳傳感器采樣電流 2.1.1 LEM霍耳傳感器介紹 采用霍爾電流傳感器（LEM模塊）-- LA25-NP對電流進行檢測?；魻柶骷鶕?jù)磁補償原理制作而成，它可傳感從直流到數(shù)百千赫茲的信號。它突出的特點是在整個工作區(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，測量頻帶寬，能測量各種波形的電流，而且電隔離，輸出為電壓信號或電流信號，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。 2.1.2 電流采樣電路設計 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，必須將LEM輸出的小電流信號轉(zhuǎn)換為電壓信號，再經(jīng)過放大濾波后輸入DSP。因此，設計了如圖2所示的電路來進行信號的轉(zhuǎn)換，圖2中R1為霍爾傳感器件所允許的負載電阻，考慮到霍爾器件的輸出電流信號較弱，選用運放構成反相放大器，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，設定電機的最大啟動電流為 20A，當I = 20A時，對應的ADC輸入為3V；當I = －20A時，對應的 ADC輸入為0V；I = 0時，ADC的輸入為1.5V，將具有正負極性的電流反饋信號轉(zhuǎn)換為單極信號送入DSP。 2.1.3 電流采樣實驗數(shù)據(jù) 表1中的數(shù)據(jù)為電流檢測電路的實驗數(shù)據(jù)，從表中數(shù)據(jù)可知相對誤差均小于 1％，說明采用LEM霍爾傳感器檢測電流具有較高的準確度。 表1 2.2 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 2.2.1 7860以及接口芯片0872介紹 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式過采樣A/D轉(zhuǎn)換器，它將輸入的低帶寬模擬電壓信號轉(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)換成分離的高速時鐘和數(shù)據(jù)通道，再由HCPL-0872進行下一步處理。 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種不同的預觸發(fā)模式，偏移校準，快速超范圍偵測，以及可調(diào)的門限偵測等功能，這些可編程特性通過串行配置端口配置，另外，HCPL-0872還支持多路復用，因此可輸入兩路數(shù)字信號進行處理。 圖4示意了一個完整的轉(zhuǎn)換周期時序圖，一個轉(zhuǎn)換周期在轉(zhuǎn)換開始信號CS的下降沿開始，CS在整個轉(zhuǎn)換周期保持為低電平，當CS變?yōu)榈碗娖胶?，串行?shù)據(jù)輸出線SDAT從高阻態(tài)變?yōu)榈碗娖剑甘巨D(zhuǎn)換正在進行，轉(zhuǎn)換完成后，SDAT信號的上升沿指示數(shù)據(jù)準備同步輸出，輸出數(shù)據(jù)在串行時鐘脈沖SCLK信號的下降沿被同步，并且高位數(shù)據(jù)（MSB）首先發(fā)送，總共需要16個脈沖進行數(shù)據(jù)同步，在最后一個時鐘脈沖后，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)換時間Tc取決于所選的轉(zhuǎn)換模式，最小為800nS。 2.2.2 電流采樣電路設計 電流采樣硬件電路如圖5所示，R7_1為3m的采樣電阻，取其兩端的電壓輸入7860，MC7805給7860輸入端提供穩(wěn)定的5V電源，R9和C4構成RC低通濾波器，經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換隔離調(diào)制輸出頻率為10MHZ的時鐘脈沖和一位數(shù)據(jù)流，通過接口芯片0872的轉(zhuǎn)換處理，輸出CS、SDAT和SCLK三路信號，接入到DSP的SPI接口，讀取15位的數(shù)字量。 2.2.3 電流采樣實驗波形 當采樣電阻兩端為100mV輸入，采樣電阻精確度高、溫漂小的條件下，輸出的波形如圖6所示。隔離型A/D轉(zhuǎn)換器能直接將模擬量轉(zhuǎn)化為數(shù)字量輸出，波形穩(wěn)定，輸入數(shù)字量偏差小，數(shù)據(jù)準確度較高。 2.3 利用采樣電阻結(jié)合隔離調(diào)制芯片及放大處理電路采樣電流 2.3.1 7840芯片介紹 HCPL27840芯片是安捷倫公司的一款集成隔離放大器，它有優(yōu)越的性能，像CMRR、失調(diào)電壓、非線性度、工作溫度范圍和工作電壓等都有嚴格的指標。低失調(diào)電壓和低失調(diào)溫度系數(shù)允許自動校準技術的精確運用。5%的增益容忍度和0.1%的線性度，為精確的負反饋和控制進一步提供性能需求。較寬的溫度范圍允許HCPL7840被運用于各種惡劣的工作環(huán)境。 HCPL-7840包含有一個A/D轉(zhuǎn)換器，同時還匹配有一個D/A轉(zhuǎn)換器，工作原理如圖7所示， 輸入直流信號經(jīng)過調(diào)制器送至編碼器量化、編碼，在時鐘信號控制下，以數(shù)碼串的形式傳送到發(fā)光二極管，驅(qū)動發(fā)光二極管發(fā)光。由于電流強度不同，發(fā)光強度也不同，在解調(diào)端有一個光電管會檢測出這一變化，將接收到的光信號轉(zhuǎn)換成電信號，然后送到解碼器和D/A轉(zhuǎn)換器還原成模擬信號，經(jīng)濾波后輸出。干擾信號因電流微弱不足以驅(qū)動發(fā)光二極管發(fā)光，因而在解調(diào)端沒有對應的電信號輸出，從而被抑制掉。所以在輸出端得到的只是放大了的有效的直流信號。 2.3.2 電流采樣電路設計 電流采樣電路如圖8所示，Rsense為3m采樣電阻，取其兩端的電壓輸入7840，MC7805給7860輸入端提供穩(wěn)定的5V電源，R5和C3實現(xiàn)RC低通濾波，經(jīng)過轉(zhuǎn)換隔離調(diào)制輸出差分電壓信號，通過運放MC34081實現(xiàn)差分放大，由于TMS320LF2812的ADC模塊要求輸入0～3V的單極信號，所以在運放的正相端通過可調(diào)電阻接入1.5V的參考電壓，即當輸入電流為0時，運放輸出的電壓為1.5V，然后將單極電壓信號接入DSP的A/D通道進行轉(zhuǎn)換，獲得電流采樣值。 2.3.3 電流采樣實驗數(shù)據(jù) 如表2所示，為電流采集實驗數(shù)據(jù)，當采樣電阻中通入電流，采樣其兩端的電壓值，7840的差分輸出電壓值是輸入電壓的8倍，運放MC34081組成的差分放大電路的放大系數(shù)為5，所以運放輸出的電壓與參考電壓的差值為實際電壓值的40倍。由表2中數(shù)據(jù)可以得出，與理論值相比較，相對誤差小，說明當采樣電阻精確度高、溫漂小的條件下，采用光藕隔離放大芯片7840檢測電流具有較高的準確度。 表2 結(jié)論 綜上所述，采用霍爾電流傳感器（LEM模塊）采樣電流，線性度好、功耗小，溫度穩(wěn)定性好，精度普遍較高，是較為理想的電流傳感器，但是成本較高；HCPL-7860的隔離型A/D轉(zhuǎn)換器能直接將模擬量轉(zhuǎn)化為數(shù)字量輸出，從而避免了某些場合下所需要附加的A/D轉(zhuǎn)換器，可靠性高，抗干擾能力強；而采用HCPL-7840采樣電流，同樣具有較高的精度，且抗共模抑制比的能力較強，跟LEM模塊比較，它更適合于電機電流的檢測；后兩種方案成本較低，具有很高的性價比，但是，這兩種方案都需要精確度高、溫漂小的四端采樣電阻為條件，才能實現(xiàn)精確測量的目的，普通的兩端采樣電阻會極大影響采樣的準確性，而且采樣電阻的取值要考慮最小的功率損耗和最大的準確性的折中點，較難掌握。所以，伺服電機控制系統(tǒng)中電流采集方案的選擇。

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