伺服系統(tǒng)三種電流采集方案比較

伺服系統(tǒng)三種電流采集方案比較摘要：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 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 轉(zhuǎn)換通道實(shí)現(xiàn)，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。伺服電機(jī)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逆變電路構(gòu)成，控制部分以芯片 為核心8 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)，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 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) 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)， 將封鎖 信號(hào)，使電機(jī)停機(jī)，并通過 顯示。 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P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)輸入到中，再由的模塊轉(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)+I因此只要檢測其中的兩路電流，就可以得到三相電流。

in?.I-;：-抑!?I「Lb?游.檔＞對(duì)叫二汽4TKOSP .l￡益/乖文史in?.I-;：-抑!?I「Lb?游.檔＞對(duì)叫二汽4TKOSP .l￡益/乖文史<,-ANIE-「1fl^LU寺卡：1川區(qū)士力,東I也：將w不由土：孫”吐燭拉宋北赭取三才,目攵而W抓通1附PCF曲中便央HHLM喳I?'IX.hi.軸I人■輸]山梭比一丁相19泳師入齊，中」.4力中'!*事前J-HyF#.lM=2可；稅J丸I苣￡機(jī)一臉11-11朋:中中方2校J表才妾口i郅小外水砂■（■]Hti度1掙卜包EL圖1全閉環(huán)立式加工中心的控制框圖三種電流采樣方案的分析與比較用霍耳傳感器采樣電流霍耳傳感器介紹采用霍爾電流傳感器（模塊） 對(duì)電流進(jìn)行檢測?；魻柶骷鶕?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(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。電1流采樣電路設(shè)計(jì)電流采樣電路如圖所示，由于 片內(nèi)的 模塊要求輸入?的單極信號(hào)，必須將輸出的小電流信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，再經(jīng)過放大濾波后輸入 。因此，設(shè)計(jì)了如圖所示的電路來進(jìn)行信號(hào)的轉(zhuǎn)換，圖中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， 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，設(shè)定電機(jī)的最大啟動(dòng)電流為 ，當(dāng) 2寸，對(duì)應(yīng)的 輸入為V當(dāng)一時(shí)，對(duì)應(yīng)的 輸入為， 時(shí)， 的輸入為 ，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)送入圖2電2流采樣實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表中的數(shù)據(jù)為電流檢測電路的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，從表中數(shù)據(jù)可知相對(duì)誤差均小于％,說明采用 霍爾傳感器檢測電流具有較高的準(zhǔn)確度。

表實(shí)際采樣電流值實(shí)際采樣電壓值運(yùn)放的輸出電壓值利用采樣電阻結(jié)合2.2利用采樣電阻結(jié)合2.2以及7接8口6芯0片是-7為8隔6離0調(diào)制器部分，087介利紹[5]公司的兩款用于隔離 轉(zhuǎn)換的，其典型應(yīng)用電路如圖所示，其中器。式，輸入電壓范圍為組成的可編程 轉(zhuǎn)換器具有位的線性度，轉(zhuǎn)換時(shí)間為,可提供種轉(zhuǎn)換模,單電源供給，內(nèi)器。式，輸入電壓范圍為組成的可編程 轉(zhuǎn)換器具有位的線性度，轉(zhuǎn)換時(shí)間為,可提供種轉(zhuǎn)換模,單電源供給，內(nèi)7部8分6為0轉(zhuǎn)換編碼模塊和譯碼模塊，轉(zhuǎn)換編碼模塊包含一個(gè)Z—A式過采樣 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，再由進(jìn)0行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成分離的高速時(shí)鐘和數(shù)據(jù)通道，再由進(jìn)0行8下7一2步處理。將輸入的串行數(shù)據(jù)流轉(zhuǎn)化為位的字輸出，它支持三種同步串行接口協(xié)議，可與微控制器直接連接，可0支8持725種不同的轉(zhuǎn)換模式，3種不同的預(yù)觸發(fā)模式，偏移接口協(xié)議，可與微控制器直接連接，校準(zhǔn)，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，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。轉(zhuǎn)換完成后，圖示意了一個(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)的下降沿開始，在整個(gè)轉(zhuǎn)換周期保持為低電平，當(dāng)變?yōu)榈碗娖胶?，串行?shù)據(jù)輸出線從高阻態(tài)變?yōu)榈碗娖?，指示轉(zhuǎn)換正在進(jìn)行，轉(zhuǎn)換完成后，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 信號(hào)的下降沿被同步，并且高位數(shù)據(jù) 首先發(fā)送，總共需要個(gè)脈沖進(jìn)行數(shù)據(jù)同步，在最后一個(gè)時(shí)鐘脈沖后， 再一次變成高電平， 變回高阻態(tài)，完成一次轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換時(shí)間取決于所選的轉(zhuǎn)換模式，最小為 .

.電3流采樣電路設(shè)計(jì)電流采樣硬件電路如圖所示，為m的采樣電阻，取其兩端的電壓輸入 ，給輸入端提供穩(wěn)定的電源，和構(gòu)成低通濾波器，經(jīng)過轉(zhuǎn)換隔離調(diào)制輸出頻率為的時(shí)鐘脈沖和一位數(shù)據(jù)流，通過接口芯片7的2轉(zhuǎn)換處理，輸出輸入端提供穩(wěn)定的電源，和構(gòu)成低通濾波器，經(jīng)過轉(zhuǎn)換隔離調(diào)制輸出頻率為的時(shí)鐘脈沖和一位數(shù)據(jù)流，通過接口芯片7的2轉(zhuǎn)換處理，輸出和三路信號(hào)，接入到的接口，讀取位的數(shù)字量。2.電4流采樣實(shí)驗(yàn)波形當(dāng)采樣電阻兩端為 輸入，采樣電阻精確度高、溫漂小的條件下，輸出的波形如圖所示。隔離型轉(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(zhǔn)確度較高。immuiniuw圖6加72■、輸出的QS.SDET和SCLK信號(hào)波形爐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3.3.1芯片7介8紹4[06]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 、失調(diào)電壓、非線性度、工作溫度范圍和工作電壓等都有嚴(yán)格的指標(biāo)。低失調(diào)電壓和低失調(diào)溫度系數(shù)允許自動(dòng)校準(zhǔn)技術(shù)的精確運(yùn)用。的增益容忍度和 的線性度，為精確的負(fù)反饋和控制進(jìn)一步提供性能需求。較寬的溫度范圍允許被運(yùn)用于各種惡劣的工作環(huán)境。包含有一個(gè)Z—A 轉(zhuǎn)換器，同時(shí)還匹配有一個(gè) 轉(zhuǎn)換器，工作原理如圖所示輸入直流信號(hào)經(jīng)過工一一四調(diào)制器送至編碼器量化、編碼，在時(shí)鐘信號(hào)控制下，以數(shù)碼串的形式傳送到發(fā)光二極管，驅(qū)動(dòng)發(fā)光二極管發(fā)光。由于電流強(qiáng)度不同，發(fā)光強(qiáng)度也不同，在解調(diào)端有一個(gè)光電管會(huì)檢測出這

一變化，將接收到的光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，然后送到解碼器和 轉(zhuǎn)換器還原成模擬信號(hào)，經(jīng)濾波后輸出。干擾信號(hào)因電流微弱不足以驅(qū)動(dòng)發(fā)光二極管發(fā)光，因而在解調(diào)端沒有對(duì)應(yīng)的電信號(hào)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(hào)。.電2流采樣電路設(shè)計(jì)電流采樣電路如圖8所示，為m采樣電阻，取其兩端的電壓輸入8給07586輸.電2流采樣電路設(shè)計(jì)電流采樣電路如圖8所示，為m采樣電阻，取其兩端的電壓輸入8給07586輸0入端提供穩(wěn)定的電源，和實(shí)現(xiàn) 低通濾波，經(jīng)過轉(zhuǎn)換隔離調(diào)制輸出差分電壓信號(hào)，通過運(yùn)放實(shí)現(xiàn)差分放大，由于過可調(diào)電阻接入1.5的然參考電壓，的模塊要求輸入的單極信號(hào)，所以在運(yùn)放的正相端通即當(dāng)輸入電流為0時(shí)，運(yùn)放輸出的電壓為5然后將單極電壓信號(hào)GATERRIVFCIRCUITHrV*UIOUTJiGATERRIVFCIRCUITHrV*UIOUTJi接入的 通道進(jìn)行轉(zhuǎn)換，獲得電流采樣值。iP04lt；rvL

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GIFPPLY3.3.電3流采樣實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表2所示，為電流采集實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，當(dāng)采樣電阻中通入電流，采樣其兩端的電壓值，784的0差分輸出電壓值是輸入電壓的倍，運(yùn)放 組成的差分放大電路的放大系數(shù)為5所以運(yùn)放輸出的電壓與參考電壓的差值為實(shí)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(duì)誤差小，說明當(dāng)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784檢0測電流具有較高的準(zhǔn)確度。表實(shí)際采樣電流值實(shí)際采樣電壓值的輸出電壓值運(yùn)放的輸出電壓值結(jié)論綜上所述，采用霍爾電流傳感器（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； 的隔離型轉(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轉(zhuǎn)換器，可靠性高，抗干擾能力強(qiáng)；而采用采樣電流，同樣具有較高的精度，且抗共模抑制比的能力較強(qiáng)，跟模塊比較，它更適合于電機(jī)電流的檢測；后兩種方案成本較低，具有很高的性價(jià)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(shí)現(xiàn)精確測量的目的，普通的兩端采樣電阻會(huì)極大影響采樣的準(zhǔn)確性，而