伺服电机控制系统中三种电流采样方案的比较

第９卷２００７年１第１月　期　穗莽　撵赫　Ｖｏ１．９　Ｎｏ．１　Ｊａｎ．２００７　伺服电机控制系统中三种电流　采样方案的比较　罗映，万超　（华南理工大学，广东　广州　５１０６４０）　摘　要：针对电流检测常用的三种方案进行了实验和比较，获得了对这三种方案各自优缺点　的清晰认识，为不同的条件下电流检测方案的选择提供了参考。　关键字：电机控制；伺服系统；电流环；电流检测　０　引言　短路、过流、过压、过热等故障时，ＤＳＰ将封锁　ＳＶＰＷＭ信号，使电机停机，并通过ＬＥＤ显示出　对于数字化伺服电机控制系统来说，电流采　来。ＣＰＬＤ模块负责对光栅尺反馈的位置信息和　样的精度和实时性在很大程度上决定了系统的　上位机发送脉冲形式的指令信息进行滤波和计　动、静态性能。因此，精确的电流检测是提高系　数．并将数据以总线方式传送给ＤＳＰ；同时负责　统控制精度、稳定性和快速性的重要条件，也是　处理键盘输入和显示输出以及开关量输入输出。　实现高性能闭环控制系统的关键。在伺服电机控　伺服电机控制系统中，电流采样的作用就是　制系统中，常见的电流检测方案有：使用霍耳传　检测交流同步电动机的三相定子电流，并转换成　感器＿ｌｌ、使用取样电阻结合Ａ／Ｄ转换隔离调制芯　相应的信号输入到ＤＳＰ中，再由ＤＳＰ的ＡＤ模块转　片、使用取样电阻＋隔离调制＋放大电路等三种方　化成数字量进行处理。因为本文研究的是三相平　案［２１。本文通过对这三种方案分别进行电路设计　衡系统．￣Ｌ＋／ｂ＋ｇ＝０，因此，只要检测其中的两　并对具体实验结果的比较分析，获得了对三种方　路电流，就可以得到三相电流。　案各自特点的清晰认识。　２　三种电流采样方案的分析与比较　１　伺服电机控制系统简介　２．１　利用霍耳传感器采样电流　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　（１）ＬＥＭ霍耳传感器　电路构成，控制部分是以ＤＳＰ芯片ＴＭＳ３２ＯＬＦ２８ｌ２　为核心，以ＣＰＬＤ作为辅助处理模块，构成了功　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可以看出，本系统是一个有电流、　电流检测ｌｌ光电编码器输　转速和位置负反馈的三闭环系统。ＤＳＰ负责采样　接口部件　各相电流，并计算电机的转速和位置，再运用矢　量控制算法得到电压矢量ＰＷＭ控制信号，最后经　ＤＳＰ主控模块　光藕隔离电路驱动逆变器功率开关器件：同时用　！　堡呈卜　ＣＰＬＤ控制模块　ＤＳＰ监控变频调速系统的运行状态，当系统出现　开关量输入　输出模块　键盘及　ｌ　Ｉ上位机通讯ｌ　Ｉ光栅尺数据　显示模块ｌ　ｌ（脉冲方式）模块ｌ　ｌ　采集模块　收稿日期：２００６—１０—３０　图１　全闭环立式加工中心的控制框图　．ＣｈｉｎａＥＣＤ．ｎｅｔ　２００７．１　电子元器件丕用　７３　维普资讯 http://www.cqvip.com

第９卷第１期　电子元嚣件焘用　Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ　Ｃｏｍｐｏｎｅｎｔ＆Ｄｅｖｉｃｅ　Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ　Ｖｏ１．９　Ｎｏ．１　２００７年１月　Ｊａｎ．２００７　采用霍尔电流传感器ｆＬＥＭ模块）ＬＡ２５一ＮＰ　对电流进行检测。霍尔器件是根据磁补偿原理制　作而成，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、能测量各种波形的电流、电隔离、输出为电　压信号或电流信号的精度普遍较高，这使得ＬＥＭ　霍耳传感器应用极为方便可靠，是理想的电流传　感器；但是成本较高。　ｆ２１电流采样电路的设计　图２所示就是一种电流采样电路。由于　ＴＭＳ３２０Ｆ２８１２片内的ＡＤＣ模块要求输入０　３　ｖ的　单极信号，因此必须将ＬＥＭ传感器输出的小电流　信号转换为电压信号，再经过放大滤波后输入　ＤＳＰ。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，因　而选用运放来构成反相放大器。由于该反相放大　器的输入阻抗很高，所以Ｒ２的影响可以忽略。反　相端通过可调电阻输入的参考电压为２　Ｖ。设定　电机的最大启动电流为－＋２０　Ａ，当Ｉ＝２０ＡＵ￣，对应　的ＡＤＣ输入为３　Ｖ；当　＝一２０　Ａ时，对应的ＡＤＣ　输入为０　Ｖ；Ｉ＝０时，ＡＤＣ的输入为１．５　Ｖ。这样，　就可将具有正负极性的电流反馈信号转换成单极　信号送入ＤＳＰ。　图２　Ｌｅｍ传感器电流采样电路　ｆ３１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％，这说明采　用ＬＥＭ霍尔传感器检测电流具有较高的准确度。　２．２基于采样电阻￥１１Ａ／Ｄ芯片的采样电流　（１）ＨＣＰＬ一７８６０／０８７２　５５介　ＨＣＰＬ一７８６０／０８７２是Ａｇｉｌｅｎｔ公司的两款用于隔　离Ａ／Ｄ转换的ＩＣ。其典型应用电路如图３所示。其　中，ＨＣＰＬ一７８６０为隔离调制器部分，ＨＣＰＬ一０８７２　为数字接口部分，它们共同组合成一套隔离可编　７４　电子元器件主用２００７．１　ＷＷＷ．ＣｈｉｎａＥＣＤ．ｎｅｔ　表１　电流检测电路的实验数据　数字电流传感器　｝Ｌ　　隔离边界　÷Ｊ．　．．．—一　｜　Ｉ　输出　数据流　输入　／一　ｈ、　电流　一　。ｒ０　Ｊｒ　ｌ　Ｉ－－　。‘。●。一　隔离器　，７７数字接口　审图３　典型应用电路　程双芯片Ａ／Ｄ转换器。ＨＣＰＬ一７８６０／０８７２组成的可　编程Ａ／Ｄ转换器具有１２位的线性度、转换时间为　８００　ＢＳ、可提供５种转换模式、输入电压范围为一　２００　＋２００　ｍＶ、单５　Ｖ电源供给等特点，ＨＣＰＬ一　７８６０的内部包括转换编码模块和译码模块。转换　编码模块包含一个∑一△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通过　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一０８７２进行下一步处理。　ＨＣＰＬ一０８７２将输入的串行数据流转化为１５位　的字输出．它支持ＳＰＩ、ＱＳＰＩ及ＭＩＣＲＯＷＩＲＥ＿￣种　同步串行接口协议，可与微控制器直接连接。　ＨＣＰＬ一０８７２可实现５种不同的转换模式、３种不同　的预触发模式、偏移校准、快速超范围侦测以及　可调的门限侦测等功能。这些可编程特性可通过　串行配置端口配置，另外，ＨＣＰＬ一０８７２还支持多　路复用，可对两路输入数字信号同时进行处理。　图４给出了一个完整的转换周期时序图。一　个转换周期是在转换开始信号ＣＳ的下降沿开始。　ＣＳ在整个转换周期保持为低电平。当ＣＳ变为低电　平后，串行数据输出线ＳＤＡＴ￣［Ｉ从高阻态变为低　维普资讯 http://www.cqvip.com

第９卷第１期　２００７年１月　名企产器推介　Ｖｏ１．９　Ｎｏ．１　Ｊａｎ．２００７　为数字量输出，并具有波形稳定、输入数字量偏　一　厂　差小、数据准确度较高的优点。　ｓ。ＡＴ丰；　一ｆ＿］　删１　１　一　Ｋ土：　一ｉ『１　Ｒ『］　叩一同ｆ１　＿．｛　，　图６　０８７２输出的ＣＳ、ＳＤＡＴ和ＳＣＬＫ信号波形　图４转换周期时序图　电平，指示转换正在进行；转换完成后，ＳＤＡＴ　２．３用采样电阻＋隔离＋放大来采样电流　（１）ＨＣＰＬ一７８４０，￣片介绍　＇信号的上升沿指示数据准备同步输出，输出数据　在串行时钟脉冲ＳＣＬＫ信号的下降沿被同步，并　首先发送高位数据（ＭＳＢ）。当最后一个时钟脉冲　到来后，ＣＳ再一次变高，ＳＤＡＴ也变回高阻态，　完成了一次转换。转换时间Ｔｃ取决于所选的转换　模式，最小为８００　ｎｓ。　ｆ２）电流采样电路设计　ＨＣＰＬ一７８４０芯片是安捷伦公司的一款集成隔　离放大器，具有优越的性能，其ＣＭＲＲ、失调电　压、非线性度、工作温度范围和工作电压等都有　严格的指标。低失调电压和低失调温度系数支持　了自动校准技术的精确运用；５％的增益容忍度　和０．１％的线性度，为精确的负反馈和控制进一步　提供了性能需求：较宽的温度范围允许ＨＣ．　ＰＬ７８４０被应用于各种恶劣的工作环境。　ＨＣＰＬ一７８４０包含有一个∑一Ａ　Ａ／Ｄ转换器．同　电流采样硬件电路如图５所示，Ｒ７＿ｌ为３　ｍＱ　的采样电阻，取其两端的电压输入７８６０中，　ＭＣ７８０５给７８６０输入端提供稳定的５　Ｖ电源，Ｒ９和　Ｃ４构成了ＲＣ低通滤波器．经过Ａ／Ｄ转换隔离调制　后．输出频率为１０　ＭＨｚ的时钟脉冲和一位数据　流，通过接口芯片０８７２的转换处理，输出ＣＳ、　ＳＤＡＴ和ＳＣＬＫ三路信号，再接入到ＤＳＰ的ＳＰＩ接　时还匹配有一个Ｄ／Ａ转换器，其工作原理如图７所　示。输入直流信号经过∑一△调制器送至编码器进　行量化、编码，再在时钟信号控制下以数码串的　形式传送到发光二极管，以驱动发光二极管发　光。由于电流强度不同，发光强度也不同，在解　口，可读取ｌ５位的数字量。　ｆ３１电流采样实验波形　调端有一个光电管可检测出这一变化，并将接收　到的光信号转换成电信号，然后送解码器和Ｄ／Ａ　转换器还原成模拟信号，经滤波后输出。干扰信　号因电流微弱而不足以驱动发光二极管发光，因　在采样电阻两端为１００　ｍＶ输人，且采样电阻　保持精确度高、温漂小的条件下，输出的波形如　图６所示。隔离型Ａ／Ｄ转换器能直接将模拟量转化　Ｖ　昌　Ｒ７　１　ｌｌ　Ｃ１　ｏ１　ｕＦ　０　００３　Ｑ　１　．　Ｃ３　Ｃ２　Ｏ　１　ｕＦ　ＩＣ２　ＩＣ３　、０１　ｕＦ　Ｃ４　Ｏ　１　Ｆ　妇　ＨＣＰＬ一７８６０　Ｃ５　５　７　６　ｐ＿　８　９　１０　ｂ＿　１３　１４　ｂ＿　１５　１６　ｂ＿　ＨＣＰＬ一０８７２　Ｉ１　１　２　ｂ＿　Ｏ　１　ｕ　Ｆ　图５基于采样电阻和ＡＤＣ的电流采样电路　伽伽似ＣｈｉｎａＥＣＤ．ｎｅｔ　２００７．１　电子元器件主用　７５　维普资讯 http://www.cqvip.com

第９卷第１期　电子元器件主用　Ｖｏ１．９　Ｎｏ．１　２００７年１月　Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ　Ｃｏｍｐｏｎｅｎｔ＆Ｄｅｖｉｃｅ　Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ　Ｊａｎ．２００７　此在解调端没有对应的电信号输出。所以，在输　表２电流采集实验数据　出端得到的只是放大了的有效的直流信号。　工作电压ｌ　Ｉ时钟电路　咽　Ｈ兰竺Ｈ垂　Ｈ墅Ｈ　兰　图７　ＨＣＰＬ一７８４０￣离原理图　ｆ２）电流采样电路设计　图８所示是基于ＨＣＰＬ一７８４０的电流采样电路，　图中，Ｒｓｅｎｓｅ为３　ｍｌｔ采样电阻，取其两端的电压　输入ＨＣＰＬ一７８４０中，ＭＣ７８０５给７８６０输入端提供　３　结束语　稳定的５　Ｖ电源，Ｒ５和Ｃ３实现ＲＣ低通滤波，经过　转换隔离调制后输出差分电压信号，通过运放　综上所述，采用霍尔电流传感器ｆＬＥＭ电流　ＭＣ３４０８１可实现差分放大，由于ＴＭＳ３２０ＬＦ２８１２　传感器模块）采样电流，具有线性度好、功耗　的ＡＤＣ模块要求输入０～３　Ｖ的单极信号，所以在　低、温度稳定性好、采样精度普遍较高的优点．　运放的正相端通过可调电阻接入了１．５　Ｖ的参考电　是较为理想的电流传感器，但是成本相对较高；　压．即当输入电流为０日寸，运放的输出电压为１．５　ＨＣＰＬ一７８６０的隔离型　Ｄ转换器能直接将模拟量　Ｖ，然后将单极电压信号接入ＤＳＰ的Ａ／Ｄ通道进行　转化为数字量输出，从而避免了某些场合下需要　转换，以获得电流采样值。　附￣ＨＡ／Ｄ转换器的情况．其特点是可靠性高、抗　ｆ３）电流采样实验数据　干扰能力强；而采用ＨＣＰＬ一７８４０采样电流，同样　表２所列为电流采集的实验数据。当采样电　具有较高的精度，且抗共模抑制比的能力较强，　阻中通入电流时，采样其两端的电压值。７８４０的　跟ＬＥＭ模块比较，它更适合于电机电流的检测。　差分输出电压值是输入电压的８倍，运放　后两种方案的成本较低，且具有很高的性价比，　ＭＣ３４０８１组成的差分放大电路的放大系数为５，　但是，这两种方案都需要以精确度高、温漂小的　所以运放输出的电压与参考电压的差值其实是实　四端采样电阻为条件，才能达到精确测量电流的　际电压值的４０倍。由表２中数据可以得出，与理　目的。这是因为，普通的两端采样电阻会极大影　论值相比较，相对误差小，这说明在采样电阻精　响采样的准确性，而且采样电阻的取值还要考虑　确度高、温漂小的条件下，采用光藕隔离放大芯　最小的功率损耗和最大的准确性的折中点，因此　片７８４０检测电流具有较高的准确度。　较难掌握。　图８　采样电阻＋隔离＋放大模式电流采样电路　７６　电子元嚣件主硐　２００７．１　ｗ．ＣｈｉｎａＥＣＤ．ｎｅｔ