lem電流傳感器在伺服控制系統中的應用

引言

伺服技術(shù)是跟蹤與定位控制技術(shù)，是機電一體化技術(shù)的重要組成部分，它廣泛地應用于數控機床、工業(yè)機器人等自動(dòng)化裝備中。隨著(zhù)現代工業(yè)生產(chǎn)規模的不斷擴大，各個(gè)行業(yè)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(dòng)系統是工業(yè)先進(jìn)國家競相努力的目標，有著(zhù)十分重要的現實(shí)意義。

目前數字伺服驅動(dòng)器基本被日本、歐美等國家壟斷。我國每年需要從國外進(jìn)口大量的此類(lèi)設備用于cnc數控機床等行業(yè)，進(jìn)口驅動(dòng)器價(jià)格高，維修服務(wù)不便。我國具有自主知識產(chǎn)權的全數字式伺服驅動(dòng)器約于上個(gè)世紀90年代開(kāi)始規?；a(chǎn)制造。華中數控hsv系列全數字交流伺服電機驅動(dòng)單元具有良好的性能。我公司自主開(kāi)發(fā)的全數字交流伺服系統調速比為1:5000。高端產(chǎn)品往往要采用國外的交流伺服系統，主要是國產(chǎn)伺服驅動(dòng)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(mén)子等國外先進(jìn)產(chǎn)品相比，還存在著(zhù)顯著(zhù)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(dòng)機、電源模塊、驅動(dòng)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?？刂齐娐纺K包括核心控制芯片，人機界面和通訊模塊四大部分;驅動(dòng)與逆變電路模塊包括逆變器主電路，電壓/電流采樣電路，過(guò)壓/欠壓保護、上電限流保護與制動(dòng)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(lái)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(fā)出的svpwm信號經(jīng)送入ipm模塊，完成dc/ac逆變，驅動(dòng)電動(dòng)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(dòng)機的磁極位置、電動(dòng)機轉向和編碼器報警等信息送往dsp，同時(shí)將永磁同步電動(dòng)機的位置信息送往cnc。電機相電流經(jīng)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(guò)壓、欠壓、短路、電源掉電和ipm故障等信號經(jīng)故障檢測模塊檢測與處理后，送入dsp的i/o端口。鍵盤(pán)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(tài)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(zhuān)用控制芯片tms320f2812。與其它同類(lèi)dsp相比它有以下突出性能：

采用高性能的靜態(tài)cmos技術(shù)，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(shí)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(yōu)化后的柵級驅動(dòng)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(dòng)電路;

短路保護;

驅動(dòng)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(gè)閉環(huán)來(lái)完成。其原理如圖2所示，第一層是位置環(huán)、第二層是速度環(huán)、第三層是電流環(huán);其中位置、速度都是外環(huán)，而電流環(huán)則是系統內的內環(huán)，它的構成是由核心硬件以及關(guān)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(dòng)部分，也是技術(shù)難度最大的部分，其最主要的特點(diǎn)就是高速、高精、功能豐富多樣。電流環(huán)是伺服系統的核心控制環(huán)，而保證速度精度以及力矩平穩性的最關(guān)鍵就是數字伺服中的電流環(huán)的設計，所以一個(gè)系統性能是否優(yōu)秀與電流環(huán)的設計息息相關(guān)。

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(gè)電流環(huán)的運算精度，從而直接對系統的性能產(chǎn)生非常重大的影響。而在電量參數測量領(lǐng)域內，作為首屈一指的領(lǐng)導廠(chǎng)商萊姆(lem)公司的霍爾電流傳感器由于其穩定可靠的產(chǎn)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(jiàn)圖3)，萊姆傳感器在外圍的硬件電路設計上更加簡(jiǎn)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(jìn)入dsp)從而減少電源對系統的干擾。此款傳感器另一優(yōu)點(diǎn)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(jìn)入dsp使精度有所降低。

lts25-np型傳感器的具體特點(diǎn)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：2.5±0.625v;

轉換率kn=np：ns為：1：2000;

總精度：±0.2%;

線(xiàn)性度：小于0.1%;

反應時(shí)間：小于500ns。

該傳感器有正極(+5)、測量端(out)及地(0)三個(gè)管腳，如圖3所示。其工作原理如下：該款傳感器是閉環(huán)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(chǎn)品，其工作原理是霍爾磁平衡式的(或稱(chēng)霍爾磁補償式、霍爾零磁通式)。當電流流過(guò)一根長(cháng)的直導線(xiàn)時(shí)，在導線(xiàn)周?chē)a(chǎn)生磁場(chǎng)，磁場(chǎng)的大小與流過(guò)導線(xiàn)的電流的大小成正比，這一磁場(chǎng)可以通過(guò)軟磁材料來(lái)聚集，然后用霍爾器件進(jìn)行檢測，由于磁場(chǎng)的變化與霍爾器件的輸出電壓信號有良好的線(xiàn)性關(guān)系，因此，可以用測得的輸出信號，直接反應導線(xiàn)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1μf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(jīng)傳感器后進(jìn)入dsp轉換成是數字形式并進(jìn)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(xué)模型可知，定子電流檢測的精度和實(shí)時(shí)性是整個(gè)矢量控制系統精度的關(guān)鍵，因此本系統采用lts25-np型傳感器來(lái)檢測電流。