伺服控制系統(tǒng)中高精度電流采樣的設(shè)計

引言

伺服技術(shù)是跟蹤與定位控制技術(shù)，是機(jī)電一體化技術(shù)的重要組成部分，它廣泛地應(yīng)用于數(shù)控機(jī)床、工業(yè)機(jī)器人等自動化裝備中。隨著現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)規(guī)模的不斷擴(kuò)大，各個行業(yè)對電伺服系統(tǒng)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(qū)動系統(tǒng)是工業(yè)先進(jìn)國家竟相努力的目標(biāo)，有著十分重要的現(xiàn)實(shí)意義。

目前數(shù)字伺服驅(qū)動器基本被日本、歐美等國家壟斷。我國每年需要從國外進(jìn)口大量的此類設(shè)備用于CNC數(shù)控機(jī)床等行業(yè)，進(jìn)口驅(qū)動器價格高，維修服務(wù)不便。我國具有自主知識產(chǎn)權(quán)的全數(shù)字式伺服驅(qū)動器于20世紀(jì)90年代開始規(guī)模化生產(chǎn)制造。華中數(shù)控HSV系列全數(shù)字交流伺服電機(jī)驅(qū)動單元具有良好的性能。我公司自主

伺服控制系統(tǒng)硬件設(shè)計

數(shù)字伺服系統(tǒng)主要由五部分組成：永磁同步電動機(jī)，電源模塊，驅(qū)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(jī)界面和通訊模塊四部分：驅(qū)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(hù)、上電限流保護(hù)與制動電路等，伺服的核心控制芯片采用TI公司最新的電機(jī)專用控制芯片TMS320F2812。

以TMS320F2812 DSP為控制核心(見圖1)，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(jī)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(qū)動電動機(jī)旋轉(zhuǎn)。編碼器接口將絕對式編碼器所記錄的永磁同步電動機(jī)的磁極位置、電動機(jī)轉(zhuǎn)向和編碼器報警等信息送往DSP，同時將永磁同步電動機(jī)的位置信息送往CNC。電機(jī)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(zhuǎn)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(jīng)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(jī)接口，用以完成控制參數(shù)的輸入。運(yùn)行狀態(tài)與運(yùn)行參數(shù)顯示。存儲器模塊用以存儲控制參數(shù)與系統(tǒng)故障信息。

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(nèi)置優(yōu)化后的柵級驅(qū)動和保護(hù)電路，以超小型體積，輸出功率強(qiáng)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(fù)載；內(nèi)置柵極驅(qū)動電路；短路保護(hù)；驅(qū)動電壓欠壓保護(hù)；采用第五代低功耗IGBT管芯；超小型體積，僅重65克。

數(shù)字伺服系統(tǒng)的控制策略

數(shù)字伺服系統(tǒng)一般是由三個閉環(huán)來完成，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(tǒng)內(nèi)的內(nèi)環(huán)，它的構(gòu)成是由核心硬件以及關(guān)鍵解算軟件組成的，全數(shù)字伺服系統(tǒng)是數(shù)控機(jī)床的核心傳動部分，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(tǒng)的核心控制環(huán)，而保證速度精度以及力矩平穩(wěn)性的最關(guān)鍵就是數(shù)字伺服中的電流環(huán)的設(shè)計，所以一個系統(tǒng)性能是否優(yōu)秀與電流環(huán)的設(shè)計息息相關(guān)。

LEM傳感器與電流采樣電路

因為采樣的精度和速度直接導(dǎo)致整個電流環(huán)的運(yùn)算精度，從而直接對系統(tǒng)的性能產(chǎn)生非常重大的影響。而在電量參數(shù)測量領(lǐng)域內(nèi)，萊姆(LEM)公司的霍爾電流傳感器由于其穩(wěn)定可靠的產(chǎn)品性能成為本系統(tǒng)設(shè)計的首選，LTS25-NP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，萊姆傳感器在外圍的硬件電路設(shè)計上更加簡單，不需要增加電壓抬升電路從而減少電源對系統(tǒng)的干擾。此款傳感器另一優(yōu)點(diǎn)是溫漂小、精度高；而且內(nèi)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(yùn)放后進(jìn)入DSP使精度有所降低。

該傳感器有正極(+5)、測量端(OUT)及地(0)三個引腳，如圖3所示。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。為防止干擾，在霍爾傳感器的供電電源端和地端單獨(dú)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(jī)的三相定子電流經(jīng)傳感器后進(jìn)入DSP轉(zhuǎn)換成是數(shù)字形式并進(jìn)行一系列的變換，由于本系統(tǒng)是三相平衡系統(tǒng)：L_a+L_b+L_c=o；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(jī)的數(shù)學(xué)模型可知，定子電流檢測的精度和實(shí)時性是整個矢量控制系統(tǒng)精度的關(guān)鍵，因此本系統(tǒng)采用LTS25-NP型傳感器來檢測電流。

在本系統(tǒng)中，由兩個LEM模塊檢測A相和B相的電流。在實(shí)際調(diào)試中，由于經(jīng)過傳感器出來的電流信號有高次諧波及其它干擾信號，因此必需設(shè)計濾波器把高次諧波及其它干擾信號抑制掉。結(jié)合實(shí)際情況考慮，設(shè)計了帶有電壓跟隨的二階低通濾波器的電流檢測電路，具體電路如圖4所示。

在開關(guān)模式控制下，相電流信號合有需要濾出的高次諧波。設(shè)計中，首先利用PSpice軟件對濾波器進(jìn)行虛擬設(shè)計，經(jīng)過仿真驗證后，確定采用二階的巴特沃斯濾波器結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)利用電流傳感器檢測電流，經(jīng)濾波、幅度變換、零位偏移、限幅，轉(zhuǎn)化為0-3v的電壓信號送入DSP的JA／D引腳。

實(shí)驗結(jié)果

實(shí)驗中，PWM頻率為15kHz，死區(qū)時間為3μs，電流環(huán)采樣周期為67μs，速度環(huán)采樣周期為0.67ms，速度環(huán)的輸出限幅值為額定電流的1.5倍，電流環(huán)的輸出限幅為額定電壓的1.2倍。實(shí)驗控制一臺8極的永磁同步電動機(jī)電機(jī)，其參數(shù)為：額定功率1.88kW，額定轉(zhuǎn)速2500r／min，額定電流7.5A，額定轉(zhuǎn)矩7.5 Nm，額定電壓220V。電機(jī)分別在200rpm、2000rpm且速度調(diào)節(jié)器參數(shù)設(shè)置為：kp=0.5，ki_v=0.02：電流調(diào)節(jié)器參數(shù)設(shè)置為：kp_i=0.2，ki=0.02時的起動一停止過程的轉(zhuǎn)速曲線分別如圖5和圖6所示。

從圖所示的實(shí)驗波形可看出當(dāng)電機(jī)空載運(yùn)行時，系統(tǒng)運(yùn)行在速度電流閉環(huán)狀態(tài)下，可迅速達(dá)到穩(wěn)態(tài)，超調(diào)及穩(wěn)態(tài)誤差都很小，實(shí)驗結(jié)果表明本系統(tǒng)設(shè)計合理，具有良好的動靜態(tài)性能。

結(jié)語

在本系統(tǒng)應(yīng)用中，LEM傳感器能正確的測量電機(jī)電流，并轉(zhuǎn)換成相應(yīng)輸出量，各方面性能指標(biāo)都能滿足本系統(tǒng)的要求。所設(shè)計的伺服驅(qū)動控制器在數(shù)控加工中心進(jìn)行機(jī)械加工測試，得到了微米級加工精度的良好結(jié)果。