基于一種無(wú)霍爾元件電流傳感器數(shù)字交流伺服系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

機(jī)床交流伺服系統(tǒng)控制交流電動(dòng)機(jī)時(shí)，要求測(cè)知交流電動(dòng)機(jī)的三相電流。一般的方法是通過(guò)電流傳感器直接測(cè)得三相電流，基于電機(jī)繞組的聯(lián)接方式，要求至少需要2個(gè)電流傳感器，常用的電流傳感器為霍爾元件。通常這類(lèi)傳感器制作復(fù)雜、價(jià)格昂貴，體積較大;在進(jìn)行電流采樣時(shí)，要求兩路a/d轉(zhuǎn)換，而且嚴(yán)格要求同步轉(zhuǎn)換。本文提出了一種新型無(wú)霍爾元件電流傳感器伺服系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法，可以通過(guò)1個(gè)簡(jiǎn)單、便宜的電阻測(cè)得交流電動(dòng)機(jī)三相電流，降低了伺服系統(tǒng)的成本，優(yōu)化了伺服系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)。

一、無(wú)霍爾電流傳感器時(shí)電流檢測(cè)方法原理

定義1個(gè)開(kāi)關(guān)量sa，當(dāng)a相上臂的功率三極管導(dǎo)通時(shí)，令sa=1;而a相下臂的功率三極管導(dǎo)通時(shí)，令sa=0。同理，對(duì)b和c相進(jìn)行定義。在直流母線(xiàn)上串接一個(gè)電阻，基于開(kāi)關(guān)狀態(tài)的定子電流可表示如下：

idc = ia when （sa， sb， sc） = （1，0，0）

idc=-ia when （sa， sb， sc）=（0，1，1）

idc=ib when （sa， sb， sc）=（0，1，0）

idc=-ib when （sa， sb， sc）=（1，0，1）

idc=ic when （sa， sb， sc）=（0，0，1）

idc=-ic when （sa， sb， sc）=（1，1，0）

idc=0 when （sa， sb， sc）=（1，1，1）

idc=0 when （sa， sb， sc）=（0，0，0）

圖1給出了一個(gè)開(kāi)關(guān)狀態(tài)的舉例：

when （sa， sb， sc）= （0，1，1），idc=-ia

圖1 直流側(cè)單電阻電流檢測(cè)原理圖

基于上面的圖示，相電流（ia）為直流母線(xiàn)電流，三相電流都能在直流母線(xiàn)上測(cè)量到，但測(cè)量不同的相電流時(shí)，（sa， sb， sc）不同。數(shù)字交流伺服中無(wú)霍爾電流傳感器時(shí)電流檢測(cè)的實(shí)現(xiàn)方法。本文所設(shè)計(jì)的無(wú)霍爾元件電流傳感器數(shù)字交流伺服系統(tǒng)，控制器采用美國(guó)德州儀器公司的dsp（數(shù)字信號(hào)處理器） tms320f240。tms320f240是采用空間矢量法生成pwm，在生成pwm時(shí)，在任意時(shí)刻電動(dòng)機(jī)電壓向量都落在六個(gè)區(qū)中的一個(gè)，如圖2所示：

圖2 電動(dòng)機(jī)電壓矢量合成圖

在任一時(shí)刻電動(dòng)機(jī)電壓向量都可通過(guò)相鄰的基本空間向量上的兩個(gè)向量元素表示出來(lái)：

t0＝tp－t1－t2

uout是任一時(shí)刻的電動(dòng)機(jī)電壓矢量

tp是pwm載波的周期

t1和t2分別對(duì)應(yīng)于ux和ux＋60的開(kāi)關(guān)模式。零向量用來(lái)平衡三極管的開(kāi)關(guān)周期。如圖3所示，在基于dsp的數(shù)字交流伺服系統(tǒng)中，進(jìn)行電流檢測(cè)時(shí)，可以在一個(gè)pwm周期中，定義t1為一個(gè)pwm周期中先出現(xiàn)的電壓向量持續(xù)時(shí)間， t2后出現(xiàn)的電壓向量持續(xù)時(shí)間。

圖3 空間矢量pwm周期t1及t2作用圖

在對(duì)稱(chēng)pwm調(diào)制方式中，前半周期里依次是矢量狀態(tài)（0，0，0），矢量狀態(tài)（0，0，1）矢量狀態(tài)（1，0，1），矢量狀態(tài)（1，1，1），后半周期包括同樣的矢量狀態(tài)隊(duì)列，只是順序相反。分別在t1、t2時(shí)期內(nèi)進(jìn)行電流測(cè)量，就會(huì)得到兩相電流值，第三相電流由等式：ia+ib+ic=0可得。上面例子中，在t1時(shí)矢量狀態(tài)為（0，0，1），于是測(cè)得相電流是：ic=idc。

二、無(wú)霍爾元件電流傳感器數(shù)字交流伺服系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

交流伺服系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，要隨時(shí)檢測(cè)電動(dòng)機(jī)的三相電流，通常的方法是用霍爾元件電流傳感器與電動(dòng)機(jī)動(dòng)力線(xiàn)相耦合，測(cè)得電動(dòng)機(jī)的三相電流，這樣伺服系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)往往非常復(fù)雜，而且成本高。

無(wú)霍爾元件電流傳感器數(shù)字交流伺服系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 無(wú)霍爾元件電流傳感器數(shù)字交流伺服系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

在進(jìn)行電流檢測(cè)時(shí)，將一個(gè)采樣電阻串接在直流母線(xiàn)上，則逆變器流出的電流都要通過(guò)它。用一個(gè)運(yùn)算放大器采集電阻兩端的電壓，其輸出作為dsp模/數(shù)轉(zhuǎn)換器的輸入，范圍在0～5v。對(duì)電流采樣電阻的要求首先是低功耗，其次是采集電壓值適應(yīng)合理的模/數(shù)轉(zhuǎn)換器采樣增益。

結(jié)語(yǔ)

與其它傳統(tǒng)交流電動(dòng)機(jī)數(shù)字交流伺服系統(tǒng)相比較，本文提出無(wú)霍爾元件電流傳感器數(shù)字交流伺服系統(tǒng)，電流檢測(cè)方便，成本降低;該伺服系統(tǒng)避免了為檢測(cè)電流而使電動(dòng)機(jī)動(dòng)力線(xiàn)纜對(duì)霍爾元件進(jìn)行的穿繞，從而優(yōu)化了機(jī)床位置及速度交流伺服系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)。該數(shù)字交流伺服系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法還可用于交流主軸驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)及變頻器系統(tǒng)，該設(shè)計(jì)方法有著非常好的應(yīng)用前景。
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