羅 映 萬超

（華南理工大學  廣東 廣州 510640）

摘  要： 伺服電機控制系統中，精確的電流采樣是實現高性能閉環控制系統的關鍵。本文針對電流檢測常用的三種方案進行了實驗和比較，獲得了三種方案各自優勢和缺點的清晰認識，這對基于不同的條件選擇合適的電流檢測方案提供了參考。

關鍵字： 電機控制  伺服系統  電流環  電流檢測  

Comparison of the three schemes of current sampling in the controlling system of servo motor

LUO Ying  Wan Chao

(South China university of technology, Guangzhou 510640 , China)

Abstract:  in the controlling system of servo motor, accurate current sampling is the key of realizing the high-powered close loop controlling system. In this paper, aim at three normal schemes of current sampling, do some experiments and compare the results, then obtain very clear cognition about the advantages and the faults of the schemes respectively, that can supply the reference for choosing proper scheme of current sampling in the base of different situation.

Key words:  motor controlling,  servo system,  the loop of current,  current sampling

   對于數字化伺服電機控制系統，轉矩環的性能直接影響著系統的控制效果，電流采樣的精度和實時性很大程度上決定了系統的動、靜態性能，精確的電流檢測是提高系統控制精度、穩定性和快速性的重要環節，也是實現高性能閉環控制系統的關鍵。在伺服電機控制系統中，電流檢測的方案有多種，常見的一種方案是使用霍耳傳感器^[1]，將電流信號經過電磁轉換，變換為直流電壓信號輸出，然后，通過運放和比較器構成的處理電路處理后，輸入到處理器；另一種方案是，取采樣電阻兩端的電壓，經線性光藕或者隔離放大器進行信號隔離，調理后接A/D轉換器輸入進行數字化，獲取電流的采樣值，而數字化的過程即可以利用處理器中的A/D轉換通道實現^{[3] [4]}，也可以利用根據 原理實現的模擬量直接轉換為數字量的隔離調制芯片來實現^[2]。本文通過對這三種方案分別進行電路設計和具體實驗后所得結果的比較分析，對三種方案各自的特點有了清晰的認識，這有利于基于不同的條件選擇合適的方案來提高伺服控制系統的整體性能。

   本系統采用交直交電壓型變頻電路，主電路由整流電路、濾波電路及智能功率模塊IPM逆變電路構成，控制部分以DSP芯片TMS320LF2812為核心，CPLD作為輔助處理模塊，構成功能齊全的全數字矢量控制系統，系統結構如圖1所示，從圖1可以看出，本系統是一個有電流、轉速和位置負反饋的三閉環系統， DSP負責采樣各相電流，計算電機的轉速和位置，最后運用矢量控制算法，得到電壓矢量PWM控制信號，經過光藕隔離電路后，驅動逆變器功率開關器件；同時DSP還監控變頻調速系統的運行狀態，當系統出現短路、過流、過壓、過熱等故障時，DSP將封鎖SVPWM信號，使電機停機，并通過LED顯示。CPLD模塊負責對光柵尺反饋的位置信息和上位機發送脈沖形式指令信息進行濾波和計數，并將數據以總線方式傳送給DSP；同時處理鍵盤輸入和顯示輸出，以及開關量的輸入輸出。

   伺服電機控制系統中電流采樣的作用就是檢測交流同步電動機的三相定子電流并轉換成相應的信號輸入到DSP中，再由DSP的AD模塊轉化成數字量進行處理。因為本文研究的是三相平衡系統Ia＋Ib+Ic=0，因此只要檢測其中的兩路電流，就可以得到三相電流。
  

                       圖1 全閉環立式加工中心的控制框圖

   采用霍爾電流傳感器（LEM模塊）-- LA25-NP對電流進行檢測。霍爾器件根據磁補償原理制作而成，它可傳感從直流到數百千赫茲的信號。它突出的特點是在整個工作區域內輸出特性是線性的，功耗小，重量輕，溫度穩定性好，測量頻帶寬，能測量各種波形的電流，而且電隔離，輸出為電壓信號或電流信號，精度普遍較高，因而使用極為方便可靠，是理想的電流傳感器；但是成本較高。

   電流采樣電路如圖2所示，由于TMS320F2812片內的ADC模塊要求輸入0～3V的單極信號，必須將LEM輸出的小電流信號轉換為電壓信號，再經過放大濾波后輸入DSP。因此，設計了如圖2所示的電路來進行信號的轉換，圖2中R1為霍爾傳感器件所允許的負載電阻，考慮到霍爾器件的輸出電流信號較弱，選用運放構成反相放大器，反相放大器的輸入阻抗很高，R2的影響可以忽略，反相端通過可調電阻輸入的參考電壓為2V，設定電機的最大啟動電流為 20A，當I = 20A時，對應的ADC輸入為3V；當I = －20A時，對應的 ADC輸入為0V；I = 0時，ADC的輸入為1.5V，將具有正負極性的電流反饋信號轉換為單極信號送入DSP。

                                圖2 

   表1中的數據為電流檢測電路的實驗數據，從表中數據可知相對誤差均小于  1％，說明采用LEM霍爾傳感器檢測電流具有較高的準確度。

                           表1

   HCPL-7860/0872是Agilent公司的兩款用于隔離A/D轉換的IC，其典型應用電路如圖3所示，其中HCPL-7860為隔離調制器部分，HCPL-0872為數字接口部分,它們一起組合成一套隔離可編程雙芯片A/D轉換器。HCPL-7860/0872組成的可編程A/D轉換器具有12位的線性度，轉換時間為800nS，可提供5種轉換模式，輸入電壓范圍為-200mV～+200mV，單5V電源供給，HCPL-7860內部分為轉換編碼模塊和譯碼模塊，轉換編碼模塊包含一個式過采樣A/D轉換器，它將輸入的低帶寬模擬電壓信號轉化為一位高速串行數據流，該高速數據流和采樣時鐘的編碼后通過隔離帶傳輸至譯碼模塊，譯碼模塊接收到數據解碼后，將數據轉換成分離的高速時鐘和數據通道，再由HCPL-0872進行下一步處理。

   HCPL-0872將輸入的串行數據流轉化為15位的字輸出，它支持SPI、QSPI及MICROWIRE三種同步串行接口協議，可與微控制器直接連接，HCPL-0872可支持5種不同的轉換模式，3種不同的預觸發模式，偏移校準，快速超范圍偵測，以及可調的門限偵測等功能，這些可編程特性通過串行配置端口配置，另外，HCPL-0872還支持多路復用，因此可輸入兩路數字信號進行處理。

圖4示意了一個完整的轉換周期時序圖，一個轉換周期在轉換開始信號CS的下降沿開始，CS在整個轉換周期保持為低電平，當CS變為低電平后，串行數據輸出線SDAT從高阻態變為低電平，指示轉換正在進行，轉換完成后，SDAT信號的上升沿指示數據準備同步輸出，輸出數據在串行時鐘脈沖SCLK信號的下降沿被同步，并且高位數據(MSB)首先發送，總共需要16個脈沖進行數據同步，在最后一個時鐘脈沖后，CS再一次變成高電平，SDAT變回高阻態，完成一次轉換，轉換時間Tc取決于所選的轉換模式，最小為800nS。