關(guān)于數(shù)字化伺服系統(tǒng)電流中三種采樣方案的對比

前言

對于數(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、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，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(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)行信號隔離，調(diào)理后接A/D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A/D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)。本文通過對這三種方案分別進(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，對三種方案各自的特點(diǎn)有了清晰的認(rèn)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(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IPM逆變電路構(gòu)成，控制部分以DSP芯片TMS320LF2812為核心，CPLD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)， DSP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(guān)器件；同時(shí)DSP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)，DSP將封鎖SVPWM信號，使電機(jī)停機(jī)，并通過LED顯示。CPLD模塊負(fù)責(zé)對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DSP；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機(jī)的三相定子電流并轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的信號輸入到DSP中，再由DSP的AD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)Ia＋I(xiàn)b+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(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。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(shè)計(jì)

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(shè)計(jì)了如圖2所示的電路來進(jìn)行信號的轉(zhuǎn)換，圖2中R1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，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(shè)定電機(jī)的最大啟動電流為 20A，當(dāng)I = 20A時(shí)，對應(yīng)的ADC輸入為3V；當(dāng)I = －20A時(shí)，對應(yīng)的 ADC輸入為0V；I = 0時(shí)，ADC的輸入為1.5V，將具有正負(fù)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(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

表1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(zhǔn)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(yīng)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(shí)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(gè)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(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HCPL-0872進(jìn)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(yù)觸發(fā)模式，偏移校準(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，HCPL-0872還支持多路復(fù)用，因此可輸入兩路數(shù)字信號進(jìn)行處理。

圖4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CS的下降沿開始，CS在整個(gè)轉(zhuǎn)換周期保持為低電平，當(dāng)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?，指示轉(zhuǎn)換正在進(jìn)行，轉(zhuǎn)換完成后，SDAT信號的上升沿指示數(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(gè)脈沖進(jìn)行數(shù)據(jù)同步，在最后一個(gè)時(shí)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(shí)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(shè)計(jì)

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(gòu)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(shí)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(shí)驗(yàn)波形

當(dāng)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(zhǔn)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(yán)格的指標(biāo)。低失調(diào)電壓和低失調(diào)溫度系數(shù)允許自動校準(zhǔn)技術(shù)的精確運(yùn)用。5%的增益容忍度和0.1%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HCPL7840被運(yùn)用于各種惡劣的工作環(huán)境。

HCPL-7840包含有一個(gè)A/D轉(zhuǎn)換器，同時(shí)還匹配有一個(gè)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(shí)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(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(yīng)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(shè)計(jì)

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(shí)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(yùn)放MC34081實(shí)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(yùn)放的正相端通過可調(diào)電阻接入1.5V的參考電壓，即當(dāng)輸入電流為0時(shí)，運(yùn)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(jìn)行轉(zhuǎn)換，獲得電流采樣值。

2.3.3 電流采樣實(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，7840的差分輸出電壓值是輸入電壓的8倍，運(yùn)放MC34081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7840檢測電流具有較高的準(zhǔn)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(qiáng)；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(qiáng)，跟LEM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極大影響采樣的準(zhǔn)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(zhǔn)確性的折中點(diǎn)，較難掌握。所以，伺服電機(jī)控制系統(tǒng)中電流采集方案的選擇。