莱姆电流传感器在数字伺服驱动器中的应用及全数字伺服电流环设计(08-100)

　　数字伺服电流环设计概要

　　电流环由电流调节器和逆变器组成，其作用是使电机绕组电流实时、准确地跟踪电流参考信号，电流控制器主要有线性电流控制器、滞环电流控制器和预测电流控制器三种。在线性电流控制器中，电机绕组电流与参考电流相比较，其差值通过PI控制器与三角波信号相比较，从而产生PWM信号控制逆变器。其优点是逆变器的开关频率固定，缺点是易产生相移和系统延迟。在线性电流控制系统中，PWM开关频率的变化对转矩波动的影响不是很大，因此PWM开关频率的选择应主要以适应电机的转速范围为依据，而并不是越高越好。在滞环电流控制器中，电机绕组电流与参考电流利用滞环比较器进行比较，滞环比较器的输出用于控制逆变器。其优点是瞬态响应能力好，不存在相称和系统延迟，缺点是逆变器的开关频率不固定。采用滞环电流控制时，带宽对电机的转矩波动影响很大，为了减小转矩波动宜采用较小的带宽，但是带宽的减小受到逆变器开关能力的限制，这在设计时需要综合考虑。在预测电流控制器中，利用绕组实际电流的采样值与参考电流的采样值及电机的电压方程，计算出强迫实际电流跟随参考电流所需的电压，通过PWM控制逆变器，采用积分补偿环节，可以有效地弥补电机参数变化对电压计算结果的影响，这种电流控制方法具有良好的稳态和动态性能，其缺点是结构复杂并需要高速微处理器。

　　伺服系统的硬件设计及电流传感器选型

　　交流伺服系统主要由五部分组成：永磁同步电动机，电源模块，驱动与逆变电路模块，速度与位置检测电路模块以及控制电路模块。控制电路模块包括核心控制芯片,人机界面和通讯模块四大部分;驱动与逆变电路模块包括逆变器主电路，电压/电流采样电路，过压/欠压保护、上电限流保护与制动电路等,以下介绍核心控制芯片,逆变电模块(IPM)及着重介绍电流传感器的选型。

　　伺服的核心控制芯片采用TI公司最新的电机专用控制芯片TMS320F2812。与其它同类DSP相比它有以下突出性能:采用高性能的静态CMOS技术,主频可以达到150MIPS,使得指令周期缩短到6.67ns(150MHz),并采用32位操作,从而大大提高处理能力;低功耗,供电电压降为1.8V(内核)和3.3V(I/O);片内高达128K字的FLASH程序存储器,18K的SARAM和4K的ROM;具有12位的A/D转换器,最小转换时间为80ns等。

　　逆变电路使用的是三菱公司的IPM模块PS21867，该款智能功率模块采用第5 代IGBT 工艺，内置优化后的栅级驱动和保护电路，以不可思议的超小型体积，输出功率强劲的三相波形。它具有以下突出性能:完整的功率输出电路，直接连接负载;内置栅极驱动电路;短路保护;驱动电压欠压保护;采用第五代低功耗IGBT 管芯;超小型体积，仅重65克。

　　因为采样的精度和速度直接导致整个电流环的运算精度，从而直接对系统的性能产生非常重大的影响。而在电量参数测量领域内，作为首屈一指的领导厂商莱姆(LEM)公司的霍尔电流传感器由于其稳定可靠的产品性能成为本系统设计的首选。型号为LTS25-NP。此款传感器采用的是单电源供电,相对于采用双电源供电的传感器, 莱姆传感器在外围的硬件电路设计上更加简单,不需要增加电压抬升电路(双电源供电的传感器必须增加电压抬升电路使负电压转换为正电压后才能进入DSP)从而减少电源对系统的干扰.。此款传感器另一优点是温漂小,精度高;而且内置采样电阻,其输出端是电压型输出,避免了因增加外接采样电阻以及运放后进入DSP使精度有所降低. LTS25-NP型传感器的具体特点和性能参数如下：原边额定电流有效值IPN：25A;原边电流测量范围IP：0～±80A;供电电压: +5V;输出电压Vout?：2.5±0.625V;转换率KN=NP ：NS为：1：2000;总精度：±0.2%;线性度：小于0.1%;反应时间：小于500ns。

　　图3 闭环电流霍尔传感器原理图

　　该传感器有正极(+5)、测量端(OUT)及地(0)三个管脚，如图3所示。其工作原理如下：该款传感器是闭环霍尔电流传感器,使用霍尔器件作为核心敏感元件、用于隔离检测电流的模块化产品，其工作原理是霍尔磁平衡式的(或称霍尔磁补偿式、霍尔零磁通式)。当电流流过一根长的直导线时，在导线周围产生磁场，磁场的大小与流过导线的电流的大小成正比，这一磁场可以通过软磁材料来聚集，然后用霍尔器件进行检测，由于磁场的变化与霍尔器件的输出电压信号有良好的线性关系，因此，可以用测得的输出信号，直接反应导线中电流的大小。为防止干扰，在霍尔传感器的供电电源端和地端单独并接一只1uF的退耦滤波电容。

　　LEM传感器与电流检测电路

　　电流检测电路是把永磁同步电机的三相定子电流经传感器后进入DSP转换成是数字形式并进行一系列的变换,由于本系统是三相平衡系统:Ia+Ib+Ic=0; 因此只需要检测其中两相电流,就可以得到三相电流。由永磁同步电机的数学模型可知, 定子电流检测的精度和实时性是整个矢量控制系统精度的关键, 因此本系统采用LTS25-NP.型传感器来检测电流。

　　在本系统中，由两个LEM模块检测A相和B相的电流. 在实际调试中，由于经过传感器出来的电流信号有高次偕波及其它干扰信号，因此必需要设计滤波器把高次偕波及其它干扰信号抑制掉。结合实际情况考虑，本文设计了带有电压跟随的二阶低通滤波器的电流检测电路，具体原理图如图4所示。

　　图4 电流检测及模拟二阶低通滤波器设计电路

　　在图4中，二阶低通滤波器参数选择及计算一般按照以下公式：

　　式中表示低通滤波器的截止频率。在本设计中取电阻R=10KΩ，C3=0.1μ,C4=0.05μ。因此计算出滤波器的截止频率为224Hz。经过上述的设计后，从滤波器出来的信号基本上是不含有高次偕波及其它干扰源的电流信号，这个信号通过后级电路放大及限幅处理后使电压幅值限定在0—3V内再进入DSP进行处理。