伺服驅(qū)動器中電流采樣電路的設(shè)計

現(xiàn)如今，交流伺服電機因為其優(yōu)良的性能，已經(jīng)在工業(yè)生產(chǎn)中占據(jù)了舉足輕重的地位，而伺服驅(qū)動器作為伺服電機的控制系統(tǒng)，其本身的優(yōu)劣將直接影響到驅(qū)動電機的使用性能。

在伺服驅(qū)動控制系統(tǒng)中，為實現(xiàn)磁場定向控制，需要至少對兩相電機繞組的電流進行采樣，這兩路電流采樣將作為電流反饋信號使伺服驅(qū)動實現(xiàn)電流閉環(huán)，可以這樣說，電流信號采樣是伺服控制系統(tǒng)硬件的一個重要模塊，也是一大難點。

常規(guī)電流采樣電路設(shè)計

如今，大多數(shù)伺服驅(qū)動使用采樣電阻和線性光耦搭建的一路電流采樣電路，如圖1所示。

其中，rsense是功率型采樣電阻，mc34081為運算放大器，78l05為三端穩(wěn)壓電源。hcpl-7840為線性光耦，其2，3引腳為信號輸入端，6，7引腳為信號輸出端，在輸入端輸出端供電電壓均為5v的情況下，當2，3引腳輸入的差值電壓變化時，6，7引腳的輸出信號將隨著輸入信號分別進行遞增和遞減的線性變化。

由圖1所示可知，當伺服電機正常工作時，將采集通過繞組的電流信號轉(zhuǎn)變?yōu)椴杉蓸与娮鑳啥穗妷褐担⒃撾妷褐低ㄟ^線性光耦進行隔離放大，再經(jīng)過運算放大器，a/d轉(zhuǎn)換送給dsp進行數(shù)據(jù)分析，進而實現(xiàn)電流環(huán)閉環(huán)控制。在實際實驗過程中，由于伺服電機等外界條件干擾，dsp所接收到的電流采樣信號會有相對較大程度的干擾，故必須在電路中增加相應(yīng)的濾波措施。

新型電流采樣電路設(shè)計

采用采樣電阻和線性光耦搭建的采樣電路均為模擬電路，很容易受到外界的干擾，在電路調(diào)試過程中，濾除雜波尤為繁瑣。為使得電流采樣信號更精確，使電流環(huán)閉環(huán)效果更好，我們又設(shè)計了一種采用高壓線性電流傳感器ir2175來實現(xiàn)電流采樣的方案，并做對比實驗。

芯片概述

ir2175是ir公司專為交流或直流無刷電機的驅(qū)動應(yīng)用而設(shè)計的高壓線性電流傳感器，它內(nèi)置電流檢測和保護電路，可通過串聯(lián)在繞組回路的采樣電阻來進行電流采樣，并且該芯片能自動將輸入的模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字pwm信號并可以直接送于處理器進行數(shù)據(jù)處理[2]。

電路設(shè)計

如圖2電路圖可知，r2和r3為采樣電阻，q1～q6為igbt，d2～d4和d6～d7為快恢復二極管。ir2175芯片的vcc為供電引腳，接+15v。po是開漏的pwm輸出腳，在本次實驗過程中，將po端直接與dsp相連，故在接口電路部分需接一個上拉電阻上拉到3.3v。com為接地端，為過流信號輸出端，v+為采樣電壓正向輸入端，vb與vs為高端浮置電源電壓端，vbs為一個在vs的電壓峰值上面浮動的電源，所以在該電路中，我們使用d1二極管管和c1電容器組成一個自舉電源[3]。它的工作原理是：當vs通過低端igbt下拉到地時，自舉電容c1便通過自舉二極管d1用+15v的vcc電源進行充電，從而提供了電源vbs。當vs通過高端開關(guān)被拉到最高電壓時，vbs是浮動的，此時自舉二極管被反向偏置，從而阻斷了充電回路[2]。二極管選擇恢復時間小于100ns的快恢復二極管。vs管腳和半橋輸出之間的電阻r1應(yīng)在10～20ω的范圍內(nèi)。

實驗結(jié)果

在本次實驗中，我們利用ccs軟件將dsp接收到的電流采樣信號在dq坐標中顯示成直觀的波形曲線進行對比分析。

在用新型電流采樣電路設(shè)計中，當伺服電機正常工作時，ir2175的輸入為正弦電壓信號，po端口輸出頻率為130khz、占空比隨電流大小變化的pwm信號(如圖3，4，5)，其占空比范圍為9%～91%。當采樣電阻上的壓降為0時，輸出信號的占空比為50%(如圖3所示);當輸入電壓的變化范圍為-260mv～+260mv時，對應(yīng)于輸出電壓的變化范圍為9%～91%。當采樣電阻上的壓降大于260mv時，輸出信號的占空比保持最大值91%(如圖4所示);輸入小于-260mv時，輸出占空比保持最小值9%(如圖5所示)。當采樣電阻上的壓降超過-260mv～+260mv時，ir2175的端輸出一個典型值為2μs的低電平有效的過流信號。

通過對圖3，4，5的觀察分析，可知，通過ir2175輸出的pwm波形穩(wěn)定且干擾信號較少，傳送給dsp的采樣數(shù)據(jù)相對較為精確。

現(xiàn)將兩種電流采樣方案在軟件程序及調(diào)試參數(shù)均相同的情況下采集到的電流信號波形進行對比，如圖6圖7所示。

用常規(guī)電流采樣電路設(shè)計所得到的兩路采樣信號波形曲線如圖6所示，可以看出其為正弦波形，因該波形仍然存在一部分毛刺，故波形不圓滑，因此我們在此基礎(chǔ)上加入軟件濾波，成功實現(xiàn)電流閉環(huán)控制。經(jīng)反復實驗驗證，電機運轉(zhuǎn)平穩(wěn)，可以實現(xiàn)電流閉環(huán)。

用新型電流采樣電路設(shè)計所得到的兩路采樣信號波形曲線如圖7所示，其波形十分平滑，可以不加任何處理直接用作電流環(huán)閉環(huán)。

以上兩種電流采樣電路均可以實現(xiàn)電流環(huán)閉環(huán)，但通過圖6和圖7的實驗波形圖可以發(fā)現(xiàn)，當使用采樣電阻與線性光耦組成的電流采樣電路時，易受到外界干擾，需要增加較多的濾波電路并進行大量的調(diào)試，且所得的波形不平滑。而使用ir2175組成的采樣電路時，可以大大簡化接口電路，又因為其輸出信號為數(shù)字信號，可較大程度上減小外界干擾對其造成的影響，較之前一種設(shè)計電路更方便，穩(wěn)定，閉環(huán)效果更好。

結(jié)束語

通過本次實驗，可以發(fā)現(xiàn)使用電流傳感器芯片可以很方便的解決伺服驅(qū)動器的電流采集，并且采集到的信號較為精確，但是在pcb設(shè)計時仍要重視高壓與低壓信號的隔離，并應(yīng)增加適當?shù)谋Ｗo電路及濾波電路。