伺服电机控制系统 1 2020 年 4 月 19 日 文档仅供参考 伺服电机控制系统 对于数字化伺服电机控制系统，转矩环的性能直接影响着系统的 控制效果，电流采样的精度和实时性很大程度上决定了系统的 动、静态性能，的电流检测是提高系统控制精度、稳定性和 快速性的重要环节，也是实现高性能闭环控制系统的关键。在伺 服电机控制系统中，电流检测的方案有多种，常见的一种方案是 使用霍耳传感器[1]，将电流信号经过电磁转换，变换为直流电压 信号输出，然后，经过运放和比较器构成的处理电路处理后，输 入到处理器；另一种方案是，取采样电阻两端的电压，经线性光 藕或者隔离放大器进行信号隔离，调理后接 A/D 转换器输入进行 数字化，获取电流的采样值，/D 转换通道实现[3] [4]，也能够利用根据 原理实现的模拟量 直接转换为数字量的隔离调制芯片来实现[2]。本文经过对这三种 方案分别进行电路设计和具体实验后所得结果的比较分析，对三 种方案各自的特点有了清晰的认识，这有利于基于不同的条件选 择合适的方案来提高伺服控制系统的整体性能。 2 伺服电机控制系统简介 本系统采用交直交电压型变频电路，主电路由整流电路、滤 波电路及智能功率模块 IPM 逆变电路构成，控制部分以 DSP 芯片 2 2020 年 4 月 19 日 文档仅供参考 TMS320LF2812 为核心，CPLD 作为辅助处理模块，构成功能齐全的 全数字矢量控制系统，系统结构如图 1 所示，从图 1 能够看出， 本系统是一个有电流、转速和位置负反馈的三闭环系统， DSP 负 责采样各相电流，计算电机的转速和位置，后运用矢量控制算 法，得到电压矢量 PWM 控制信号，经过光藕隔离电路后，驱动逆 变器功率开关器件；同时 DSP 还监控变频调速系统的运行状态， 当系统出现短路、过流、过压、过热等故障时，DSP 将封锁 SVPWM 信号，使电机停机，并经过 LED 显示。CPLD 模块负责对光栅尺反 馈的位置信息和上位机发送脉冲形式指令信息进行滤波和计数， 并将数据以总线方式传送给 DSP；同时处理键盘输入和显示输 出，以及开关量的输入输出。 伺服电机控制系统中电流采样的作用就是检测交流同步电动 机的三相定子电流并转换成相应的信号输入到 DSP 中，再由 DSP 的 AD 模块转化成数字量进行处理。因为本文研究的是三相平衡系 统 Ia＋Ib+Ic=0，因此只要检测其中的两路电流，就能够得到三 相电流。 3 2020 年 4 月 19 日 文档仅供参考 立式加工中心的控制框图 图 1 全闭环 3 三种电流采样方案的分析与比较 3.1 利用霍耳传感器采样电流 3.3.1 LEM 霍耳传感器介绍 采用霍尔电流传感器（LEM 模块）－－ LA25-NP 对电流进行 检测。霍尔器件根据磁补偿原理制作而成，它可传感从直流到数 百千赫兹的信号。它突出的特点是在整个工作区域内输出特性是 线性的，功耗小，重量轻，温度稳定性好，测量频带宽，能测量 4 2020 年 4 月 19 日 文档仅供参考 各种波形的电流，而且电隔离，输出为电压信号或电流信号，精 度普遍较高，因而使用极为方便可靠，是理想的电流传感器；可 是成本较高。 3.2.1 电流采样电路设计 电流采样电路如图 2 所示，由于 TMS320F2812 片内的 ADC 模 块要求输入 0～3V 的单极信号，必须将 LEM 输出的小电流信号转 换为电压信号，再经过放大滤波后输入 DSP。因此，设计了如图 2 所示的电路来进行信号的转换，图 2 中 R1 为霍尔传感器件所允许 的负载电阻，考虑到霍尔器件的输出电流信号较弱，选用运放构 成反相放大器，反相放大器的输入阻抗很高，R2 的影响能够忽 略，反相端经过可调电阻输入的参考电压为 2V，设定电机的 启动电流为 20A，当 I = 20A 时，对应的 ADC 输入为 3V；当 I = －20A 时，对应的 ADC 输入为 0V；I = 0 时，ADC 的输入为 1.5V，将具有正负极性的电流反馈信号转换为单极信号送入 DSP。 5 2020 年 4 月 19 日 文档仅供参考 图2 3.3.2 电流采样实验数据 表 1 中的数据为电流检测电路的实验数据，从表中数据可知 相对误差均小于 1％，说明采用 LEM 霍尔传感器检测电流具有 较高的准确度。 表1 实际采样电 实际采样电压 运放的输出 流值(A) 值(V) 电压值(V) 3 2.577 1.576 2 2.549 1.549 1 2.526 1.527 6 2020 年 4 月 19 日 文档仅供参考 0 2.501 1.500 -1 2.475 1.474 -2 2.451 1.451 -3 2.424 1.425 3.2 利用采样电阻结合 A/D 转换隔离调制芯片采样电流 3.2.2 7860 以及接口芯片 0872 介绍[5] HCPL-7860/0872 是 Agilent 的两款用于隔离 A/D 转换 的 IC，其典型应用电路如图 3 所示，其中 HCPL-7860 为隔离调制 器部分，HCPL-0872 为数字接口部分,它们一起组合成一套隔离可 编程双芯片 A/D 转换器。HCPL-7860/0872 组成的可编程 A/D 转换 器具有 12 位的线 种转换模 式，输入电压范围为-200mV～+200mV，单 5V 电源供给，HCPL7860 内部分为转换编码模块和译码模块，转换编码模块包含一个 式过采样 A/D 转换器，它将输入的低带宽模拟电压信号转化 为一位高速串行数据流，该高速数据流和采样时钟的编码后经过 隔离带传输至译码模块，译码模块接收到数据解码后，将数据转 换成分离的高速时钟和数据通道，再由 HCPL-0872 进行下一步处
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