伺服驅(qū)動器中電流采樣電路設(shè)計 - 全文

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　　在伺服驅(qū)動控制系統(tǒng)中，為實現(xiàn)磁場定向控制，需要至少對兩相電機(jī)繞組的電流進(jìn)行采樣，這兩路電流采樣將作為電流反饋信號使伺服驅(qū)動實現(xiàn)電流閉環(huán)，可以這樣說，電流信號采樣是伺服控制系統(tǒng)硬件的一個重要模塊，也是一大難點。

　　常規(guī)電流采樣電路設(shè)計

　　如今，大多數(shù)伺服驅(qū)動使用采樣電阻和線性光耦搭建的一路電流采樣電路，如圖1所示。

　　其中，rsense是功率型采樣電阻，mc34081為運算放大器，78l05為三端穩(wěn)壓電源。hcpl-7840為線性光耦，其2,3引腳為信號輸入端，6,7引腳為信號輸出端，在輸入端輸出端供電電壓均為5v的情況下，當(dāng)2,3引腳輸入的差值電壓變化時，6,7引腳的輸出信號將隨著輸入信號分別進(jìn)行遞增和遞減的線性變化。

　　由圖1所示可知，當(dāng)伺服電機(jī)正常工作時，將采集通過繞組的電流信號轉(zhuǎn)變?yōu)椴杉蓸与娮鑳啥穗妷褐?，并將該電壓值通過線性光耦進(jìn)行隔離放大，再經(jīng)過運算放大器，a/d轉(zhuǎn)換送給dsp進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，進(jìn)而實現(xiàn)電流環(huán)閉環(huán)控制。在實際實驗過程中，由于伺服電機(jī)等外界條件干擾，dsp所接收到的電流采樣信號會有相對較大程度的干擾，故必須在電路中增加相應(yīng)的濾波措施。

　　新型電流采樣電路設(shè)計

　　采用采樣電阻和線性光耦搭建的采樣電路均為模擬電路，很容易受到外界的干擾，在電路調(diào)試過程中，濾除雜波尤為繁瑣。為使得電流采樣信號更精確，使電流環(huán)閉環(huán)效果更好，我們又設(shè)計了一種采用高壓線性電流傳感器ir2175來實現(xiàn)電流采樣的方案，并做對比實驗。

　　芯片概述

　　ir2175是ir公司專為交流或直流無刷電機(jī)的驅(qū)動應(yīng)用而設(shè)計的高壓線性電流傳感器，它內(nèi)置電流檢測和保護(hù)電路，可通過串聯(lián)在繞組回路的采樣電阻來進(jìn)行電流采樣，并且該芯片能自動將輸入的模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字pwm信號并可以直接送于處理器進(jìn)行數(shù)據(jù)處理[2]。

　　電路設(shè)計

　　如圖2電路圖可知，r2和r3為采樣電阻，q1～q6為igbt，d2～d4和d6～d7為快恢復(fù)二極管。ir2175芯片的vcc為供電引腳，接+15v。po是開漏的pwm輸出腳，在本次實驗過程中，將po端直接與dsp相連，故在接口電路部分需接一個上拉電阻上拉到3.3v。com為接地端，為過流信號輸出端，v+為采樣電壓正向輸入端，vb與vs為高端浮置電源電壓端，vbs為一個在vs的電壓峰值上面浮動的電源，所以在該電路中，我們使用d1二極管管和c1電容器組成一個自舉電源[3]。它的工作原理是：當(dāng)vs通過低端igbt下拉到地時，自舉電容c1便通過自舉二極管d1用+15v的vcc電源進(jìn)行充電，從而提供了電源vbs。當(dāng)vs通過高端開關(guān)被拉到最高電壓時，vbs是浮動的，此時自舉二極管被反向偏置，從而阻斷了充電回路[2]。二極管選擇恢復(fù)時間小于100ns的快恢復(fù)二極管。vs管腳和半橋輸出之間的電阻r1應(yīng)在10～20ω的范圍內(nèi)。

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　　圖1 基于采樣電阻與線性光耦的電流采樣電路[1]

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　　圖2 基于ir2175的采樣電路

　　實驗結(jié)果

　　在本次實驗中，我們利用ccs軟件將dsp接收到的電流采樣信號在dq坐標(biāo)中顯示成直觀的波形曲線進(jìn)行對比分析。

　　在用新型電流采樣電路設(shè)計中，當(dāng)伺服電機(jī)正常工作時，ir2175的輸入為正弦電壓信號，po端口輸出頻率為130khz、占空比隨電流大小變化的pwm信號(如圖3，4，5)，其占空比范圍為9%～91%。當(dāng)采樣電阻上的壓降為0時，輸出信號的占空比為50%(如圖3所示);當(dāng)輸入電壓的變化范圍為-260mv～+260mv時，對應(yīng)于輸出電壓的變化范圍為9%～91%。當(dāng)采樣電阻上的壓降大于260mv時，輸出信號的占空比保持最大值91%(如圖4所示);輸入小于-260mv時，輸出占空比保持最小值9%(如圖5所示)。當(dāng)采樣電阻上的壓降超過-260mv～+260mv時，ir2175的端輸出一個典型值為2μs的低電平有效的過流信號。

　　通過對圖3，4，5的觀察分析，可知，通過ir2175輸出的pwm波形穩(wěn)定且干擾信號較少，傳送給dsp的采樣數(shù)據(jù)相對較為精確。

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　　圖3 輸入為0時，輸出占空比50%

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　　圖4 輸入最大260mv，輸出占空比91%

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　　圖5 輸入最小-260mv，輸出占空比9%

　　現(xiàn)將兩種電流采樣方案在軟件程序及調(diào)試參數(shù)均相同的情況下采集到的電流信號波形進(jìn)行對比，如圖6圖7所示。

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　　圖6 常規(guī)電流采樣波形圖

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　　圖7 新型電流采樣波形圖

　　用常規(guī)電流采樣電路設(shè)計所得到的兩路采樣信號波形曲線如圖6所示，可以看出其為正弦波形，因該波形仍然存在一部分毛刺，故波形不圓滑，因此我們在此基礎(chǔ)上加入軟件濾波，成功實現(xiàn)電流閉環(huán)控制。經(jīng)反復(fù)實驗驗證，電機(jī)運轉(zhuǎn)平穩(wěn)，可以實現(xiàn)電流閉環(huán)。

　　用新型電流采樣電路設(shè)計所得到的兩路采樣信號波形曲線如圖7所示，其波形十分平滑，可以不加任何處理直接用作電流環(huán)閉環(huán)。

　　以上兩種電流采樣電路均可以實現(xiàn)電流環(huán)閉環(huán)，但通過圖6和圖7的實驗波形圖可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)使用采樣電阻與線性光耦組成的電流采樣電路時，易受到外界干擾，需要增加較多的濾波電路并進(jìn)行大量的調(diào)試，且所得的波形不平滑。而使用ir2175組成的采樣電路時，可以大大簡化接口電路，又因為其輸出信號為數(shù)字信號，可較大程度上減小外界干擾對其造成的影響，較之前一種設(shè)計電路更方便，穩(wěn)定，閉環(huán)效果更好。

　　結(jié)束語

　　通過本次實驗，可以發(fā)現(xiàn)使用電流傳感器芯片可以很方便的解決伺服驅(qū)動器的電流采集，并且采集到的信號較為精確，但是在pcb設(shè)計時仍要重視高壓與低壓信號的隔離，并應(yīng)增加適當(dāng)?shù)谋Ｗo(hù)電路及濾波電路。