電流傳感器采樣在伺服控制系統中的應用

2019-11-23 14:25

引言

  伺服技術是跟蹤與定位控制技術,是機電一體化技術的重要組成部分,它廣泛地應用于數控機床、工業機器人等自動化裝備中。隨著現代工業生產規模的不斷擴大,各個行業對電伺服系統的需求日益增大,并對其性能提出了更高的要求。因此研究、制造高性能、高可靠性的伺服驅動系統是工業先進國家競相努力的目標,有著十分重要的現實意義。

  目前數字伺服驅動器基本被日本、歐美等國家壟斷。我國每年需要從國外進口大量的此類設備用于cnc數控機床等行業,進口驅動器價格高,維修服務不便。我國具有自主知識產權的全數字式伺服驅動器約于上個世紀90年代開始規模化生產制造。華中數控hsv系列全數字交流伺服電機驅動單元具有良好的性能。我公司自主開發的全數字交流伺服系統調速比為1:5000。高端產品往往要采用國外的交流伺服系統,主要是國產伺服驅動控制器在高速和高精等控制特性方面,與日本的fanuc、三菱、松下、富士以及德國的西門子等國外先進產品相比,還存在著顯著差距。

伺服控制系統硬件設計方案

  數字伺服系統主要由五部分組成:永磁同步電動機、電源模塊、驅動與逆變電路模塊、速度與位置檢測電路模塊以及控制電路模塊。控制電路模塊包括核心控制芯片,人機界面和通訊模塊四大部分;驅動與逆變電路模塊包括逆變器主電路,電壓/電流采樣電路,過壓/欠壓保護、上電限流保護與制動電路等,數字伺服控制系統硬件框圖如圖1所示。

  tms320f2812dsp為控制核心,接收來自cnc、編碼器接口、電流檢測模塊和故障信號處理模塊的信息,完成對永磁同步電機控制和故障處理。光電隔離模塊作為電子電路與功率主電路的接口,將dsp發出的svpwm信號經送入ipm模塊,完成dc/ac逆變,驅動電動機旋轉。編碼器接口將絕對式編碼器所記錄的永磁同步電動機的磁極位置、電動機轉向和編碼器報警等信息送往dsp,同時將永磁同步電動機的位置信息送往cnc。電機相電流經電流檢測模塊量測、濾波、幅度變換、零位偏移、限幅,轉化為0~3v的電壓信號送入dsp的a/d引腳。功率主電路的過壓、欠壓、短路、電源掉電和ipm故障等信號經故障檢測模塊檢測與處理后,送入dsp的i/o端口。鍵盤與顯示模塊是控制器的人機接口,用以完成控制參數的輸入,運行狀態與運行參數顯示。存儲器模塊用以存儲控制參數與系統故障信息。

  伺服的核心控制芯片采用ti公司最新的電機專用控制芯片tms320f2812。與其它同類dsp相比它有以下突出性能:

  采用高性能的靜態cmos技術,主頻可以達到150mips,使得指令周期縮短到6.67ns(150mhz),并采用32位操作,從而大大提高處理能力;

  低功耗,供電電壓降為1.8v(內核)和3.3v(i/o);

  片內高達128k字的flash程序存儲器,18k的saram和4k的rom;

  具有12位的a/d轉換器,最小轉換時間為80ns等。

  逆變電路使用的是三菱公司的ipm模塊,該智能功率模塊采用第5代igbt工藝,內置優化后的柵級驅動和保護電路,以不可思議的超小型體積,輸出功率強勁的三相波形。它具有以下突出性能:

  完整的功率輸出電路,直接連接負載;

  內置柵極驅動電路;

  短路保護;

  驅動電壓欠壓保護;

  采用第五代低功耗igbt管芯;

  超小型體積,僅重65g。

  數字伺服系統的控制策略

  數字伺服系統一般是由三個閉環來完成。其原理如圖2所示,第一層是位置環、第二層是速度環、第三層是電流環;其中位置、速度都是外環,而電流環則是系統內的內環,它的構成是由核心硬件以及關鍵解算軟件組成的,全數字伺服系統是數控機床的核心傳動部分,也是技術難度最大的部分,其最主要的特點就是高速、高精、功能豐富多樣。電流環是伺服系統的核心控制環,而保證速度精度以及力矩平穩性的最關鍵就是數字伺服中的電流環的設計,所以一個系統性能是否優秀與電流環的設計息息相關。

lem傳感器與電流采樣電路方案設計

  因為采樣的精度和速度直接導致整個電流環的運算精度,從而直接對系統的性能產生非常重大的影響。而在電量參數測量領域內,作為首屈一指的領導廠商萊姆(lem)公司的霍爾電流傳感器由于其穩定可靠的產品性能成為本系統設計的首選。型號為lts25-np。此款傳感器采用的是單電源供電,相對于采用雙電源供電的傳感器(見圖3),萊姆傳感器在外圍的硬件電路設計上更加簡單,不需要增加電壓抬升電路(雙電源供電的傳感器必須增加電壓抬升電路使負電壓轉換為正電壓后才能進入dsp)從而減少電源對系統的干擾。此款傳感器另一優點是溫漂小,精度高;而且內置采樣電阻,其輸出端是電壓型輸出,避免了因增加外接采樣電阻以及運放后進入dsp使精度有所降低。

  lts25-np型傳感器的具體特點和性能參數如下:

  原邊額定電流有效值ipn:25a;

  原邊電流測量范圍ip:0~80a;

  供電電壓:+5v;

  輸出電壓vout:2.50.625v;

  轉換率kn=np:ns為:1:2000;

  總精度:0.2%;

  線性度:小于0.1%;

  反應時間:小于500ns。

  該傳感器有正極(+5)、測量端(out)及地(0)三個管腳,如圖3所示。其工作原理如下:該款傳感器是閉環霍爾電流傳感器,使用霍爾器件作為核心敏感元件、用于隔離檢測電流的模塊化產品,其工作原理是霍爾磁平衡式的(或稱霍爾磁補償式、霍爾零磁通式)。當電流流過一根長的直導線時,在導線周圍產生磁場,磁場的大小與流過導線的電流的大小成正比,這一磁場可以通過軟磁材料來聚集,然后用霍爾器件進行檢測,由于磁場的變化與霍爾器件的輸出電壓信號有良好的線性關系,因此,可以用測得的輸出信號,直接反應導線中電流的大小。為防止干擾,在霍爾傳感器的供電電源端和地端單獨并接一只1f的退耦濾波電容。

  電流檢測電路是把永磁同步電機的三相定子電流經傳感器后進入dsp轉換成是數字形式并進行一系列的變換,由于本系統是三相平衡系統:ia+ib+ic=0;因此只需要檢測其中兩相電流,就可以得到三相電流。由永磁同步電機的數學模型可知,定子電流檢測的精度和實時性是整個矢量控制系統精度的關鍵,因此本系統采用lts25-np型傳感器來檢測電流。

  在本系統中,由兩個lem模塊檢測a相和b相的電流。在實際調試中,由于經過傳感器出來的電流信號有高次偕波及其它干擾信號,因此必需要設計濾波器把高次偕波及其它干擾信號抑制掉。結合實際情況考慮,本文設計了帶有電壓跟隨的二階低通濾波器的電流檢測電路,具體原理圖如圖4所示。

  在開關模式控制下,相電流信號含有需要濾出的高次諧波。設計中,首先利用pspice軟件對濾波器進行虛擬設計[2],經過仿真驗證后,確定采用二階的巴特沃斯濾波器結構,系統利用電流傳感器檢測電流,經濾波、幅度變換、零位偏移、限幅,轉化為0~3v的電壓信號送入dsp的a/d引腳。

  圖4中的二階巴特沃斯濾波器(虛線框內所示)的幅頻特性曲線如圖5所示,通頻帶內的頻率響應曲線最大限度平坦,截至頻率為300hz,衰減斜率為-40db/dec。

實驗結果

  實驗系統中,pwm頻率為15khz,死區時間為3s,電流環采樣周期為67s,速度環采樣周期為0.67ms,速度環的輸出限幅值為額定電流的1.5倍,電流環的輸出限幅為額定電壓的1.2倍。實驗控制一臺8極的永磁同步電動機電機,其參數為:額定功率:1.88kw,額定轉速:2500r/min,額定電流:7.5a,額定轉矩:7.5nm,額定電壓:220v。電機分別在10r/min、200r/min、1000r/min、2000r/min且速度調節器參數設置為:kpv=0.5,kiv=0.02;電流調節器參數設置為:kpi=0.2,kii=0.02時的起動停止過程的轉速曲線分別如圖6~9所示。

  從圖6~9所示的實驗波形可看出當電機空載運行時,系統運行在速度電流閉環狀態下,可迅速達到穩態,超調及穩態誤差都很小,實驗結果表明本系統設計合理,具有良好的動靜態性能。

結語

  在本系統應用中,lem傳感器能正確的測量電機電流,并轉換成相應輸出量,各方面性能指標都能滿足本系統的要求,是一款非常不錯的產品。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,溫度穩定性好,精度普遍較高,是較為理想的電流傳感器。在本系統研發的過程中,非常多謝該公司的工程師周到的服務和技術支持。希望以后lem電子公司能提供更多的產品和更好的技術支持,一起為我國的高端伺服控制產業取得更大的發展而努力。

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