伺服电机控制系统

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1、伺服电机控制系统对于数字化伺服电机控制系统，转矩环的性能直接影响着系 统的控制效果，电流采样的精度和实时性很大程度上决定了 系统的动、 静态性能， 精确的电流检测是提高系统控制精度、 稳定性和快速性的重要环节，也是实现高性能闭环控制系统 的关键。在伺服电机控制系统中，电流检测的方案有多种， 常见的一种方案是使用霍耳传感器 1 ，将电流信号经过电磁 转换，变换为直流电压信号输出，然后，通过运放和比较器 构成的处理电路处理后，输入到处理器；另一种方案是，取 采样电阻两端的电压，经线性光藕或者隔离放大器进行信号 隔离， 调理后接 A/D 转换器输入进行数字化， 获取电流的采 样值，而数字化的过程即可

2、以利用处理器中的 A/D 转换通道 实现3 4 ，也可以利用根据 原理实现的模拟量直接转换为数 字量的隔离调制芯片来实现 2 。本文通过对这三种方案分别 进行电路设计和具体实验后所得结果的比较分析，对三种方 案各自的特点有了清晰的认识，这有利于基于不同的条件选 择合适的方案来提高伺服控制系统的整体性能。2 伺服电机控制系统简介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 逆变电路构成，控制部分以 DSP 芯片 TMS320LF2812 为核心， CPLD 作为辅助处理模 块，构成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

3、统是一个有电流、转速和位置 负反馈的三闭环系统， DSP 负责采样各相电流，计算电机 的转速和位置， 最后运用矢量控制算法， 得到电压矢量 PWM 控制信号， 经过光藕隔离电路后， 驱动逆变器功率开关器件； 同时 DSP 还监控变频调速系统的运行状态，当系统出现短 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。 CPLD 模块负责对光栅 尺反馈的位置信息和上位机发送脉冲形式指令信息进行滤 波和计数，并将数据以总线方式传送给DSP ；同时处理键盘输入和显示输出，以及开关量的输入输出。伺服电机控制系统中电流采样的作用就是检测交流同步 电动机的

4、三相定子电流并转换成相应的信号输入到 DSP 中， 再由 DSP 的 AD 模块转化成数字量进行处理。 因为本文研究 的是三相平衡系统 Ia Ib+Ic=0 ，因此只要检测其中的两路 电流，就可以得到三相电流。dLHi i见:_!；$工丄荃t IXI匕汕氐枸茨勺1Th rrfOfwjg沁M VPft订i if杠Y=e. 足沁 祇 ypft|J i出t（3 rr拎刊町j5Y,M UIA阳HJ tJU 1iW71L卜LJSP 2812工揺梗块I令r i.AIN dTr讥血迪 THUHt 冲方 yO tg城M：呦赳Et创 申雄t貝i ：X.打I 输入图1全闭环立式加工中心的控制框图3三种电流采样方案

5、的分析与比较3.1利用霍耳传感器采样电流331 LEM霍耳传感器介绍采用霍尔电流传感器 （LEM模块）LA25-NP对电流 进行检测。霍尔器件根据磁补偿原理制作而成，它可传感从 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，而且电隔离，输出为电压信号或电流信号，精度普遍较高，因而使用极为方便可靠， 是理想的电流传感器；但是成本较高。321电流采样电路设计电流采样电路如图 2所示，由于TMS320F2812 片内的ADC模块要求输入03V的单极信号，必须将LEM输出的 小电流信号转换为电压信号，再经过放

6、大滤波后输入DSP。因此，设计了如图2所示的电路来进行信号的转换，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，选用运放构成反相放大器，反相放大器 的输入阻抗很高，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 2V ,设定电机的最大启动电流为20A ,当I = 20A 时，对应的 ADC输入为3V ;当I = 20A时， 对应的 ADC输入为0V; I = 0时，ADC的输入为1.5V , 将具有正负极性的电流反馈信号转换为单极信号送入DSP。工博5.6工332 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

7、1 %，说明采用LEM霍尔传感器检测电 流具有较高的准确度。实际采样电实际采样电压运放的输出流值(A)值(V)电压值(V)32.5771.57622.5491.54912.5261.52702.5011.500-12.4751.474-22.4511.451-32.4241.4253.2利用采样电阻结合A/D转换隔离调制芯片采样电流HCPL-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-7860 为隔离调制器部分，HCPL-0872为数字接口部分，它们一起 组合成一套隔离可编程双芯片 A/D转换器。HCPL-7860/0

8、872 组成的可编程A/D转换器具有12位的线 性度，转换时间为800nS，可提供5种转换模式，输入电压 范围为-200mV +200mV，单5V电源供给，HCPL-7860 内部分为转换编码模块和译码模块，转换编码模块包含一个式过采样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 编码后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-0872 进行下一步处理。HCPL-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 三种同步串行接口协议， 可与微控制器直接连接，HCPL-0872可支持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，这些可编程特性通过串行 配置端口配置，另外，HCPL-0872 还支持多路复用，因此可输入两路数字信号进行处理。