伺服驅(qū)動(dòng)器中電流采樣電路設(shè)計(jì)

在伺服驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)中，為實(shí)現(xiàn)磁場(chǎng)定向控制，需要至少對(duì)兩相電機(jī)繞組的電流進(jìn)行采樣，這兩路電流采樣將作為電流反饋信號(hào)使伺服驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)電流閉環(huán)，可以這樣說(shuō)，電流信號(hào)采樣是伺服控制系統(tǒng)硬件的一個(gè)重要模塊，也是一大難點(diǎn)。

　　常規(guī)電流采樣電路設(shè)計(jì)

　　如今，大多數(shù)伺服驅(qū)動(dòng)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(yùn)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(hào)輸入端，6,7引腳為信號(hào)輸出端，在輸入端輸出端供電電壓均為5v的情況下，當(dāng)2,3引腳輸入的差值電壓變化時(shí)，6,7引腳的輸出信號(hào)將隨著輸入信號(hào)分別進(jìn)行遞增和遞減的線性變化。

　　由圖1所示可知，當(dāng)伺服電機(jī)正常工作時(shí)，將采集通過(guò)繞組的電流信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)椴杉蓸与娮鑳啥穗妷褐?，并將該電壓值通過(guò)線性光耦進(jìn)行隔離放大，再經(jīng)過(guò)運(yùn)算放大器，a/d轉(zhuǎn)換送給dsp進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)電流環(huán)閉環(huán)控制。在實(shí)際實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，由于伺服電機(jī)等外界條件干擾，dsp所接收到的電流采樣信號(hào)會(huì)有相對(duì)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(jì)

　　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(guò)程中，濾除雜波尤為繁瑣。為使得電流采樣信號(hào)更精確，使電流環(huán)閉環(huán)效果更好，我們又設(shè)計(jì)了一種采用高壓線性電流傳感器ir2175來(lái)實(shí)現(xiàn)電流采樣的方案，并做對(duì)比實(shí)驗(yàn)。

　　芯片概述

　　ir2175是ir公司專為交流或直流無(wú)刷電機(jī)的驅(qū)動(dòng)應(yīng)用而設(shè)計(jì)的高壓線性電流傳感器，它內(nèi)置電流檢測(cè)和保護(hù)電路，可通過(guò)串聯(lián)在繞組回路的采樣電阻來(lái)進(jìn)行電流采樣，并且該芯片能自動(dòng)將輸入的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字pwm信號(hào)并可以直接送于處理器進(jìn)行數(shù)據(jù)處理[2]。電路設(shè)計(jì)

　　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(fù)二極管。ir2175芯片的vcc為供電引腳，接+15v。po是開(kāi)漏的pwm輸出腳，在本次實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，將po端直接與dsp相連，故在接口電路部分需接一個(gè)上拉電阻上拉到3.3v。com為接地端，為過(guò)流信號(hào)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(gè)在vs的電壓峰值上面浮動(dòng)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(gè)自舉電源[3]。它的工作原理是：當(dāng)vs通過(guò)低端igbt下拉到地時(shí)，自舉電容c1便通過(guò)自舉二極管d1用+15v的vcc電源進(jìn)行充電，從而提供了電源vbs。當(dāng)vs通過(guò)高端開(kāi)關(guān)被拉到最高電壓時(shí)，vbs是浮動(dòng)的，此時(shí)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(fù)時(shí)間小于100ns的快恢復(fù)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)。

　　圖1 基于采樣電阻與線性光耦的電流采樣電路[1]

　　圖2 基于ir2175的采樣電路 [!--empirenews.page--]

　　實(shí)驗(yàn)結(jié)果

　　在本次實(shí)驗(yàn)中，我們利用ccs軟件將dsp接收到的電流采樣信號(hào)在dq坐標(biāo)中顯示成直觀的波形曲線進(jìn)行對(duì)比分析。

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

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

　　圖3 輸入為0時(shí)，輸出占空比50%

　　圖4 輸入最大260mv，輸出占空比91%

　　圖5 輸入最小-260mv，輸出占空比9%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(hào)波形進(jìn)行對(duì)比，如圖6圖7所示。

　　圖6 常規(guī)電流采樣波形圖 [!--empirenews.page--]

　　圖7 新型電流采樣波形圖

　　用常規(guī)電流采樣電路設(shè)計(jì)所得到的兩路采樣信號(hào)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?cè)诖嘶A(chǔ)上加入軟件濾波，成功實(shí)現(xiàn)電流閉環(huán)控制。經(jīng)反復(fù)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)，可以實(shí)現(xiàn)電流閉環(huán)。

　　用新型電流采樣電路設(shè)計(jì)所得到的兩路采樣信號(hào)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(shí)現(xiàn)電流環(huán)閉環(huán)，但通過(guò)圖6和圖7的實(shí)驗(yàn)波形圖可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)使用采樣電阻與線性光耦組成的電流采樣電路時(shí)，易受到外界干擾，需要增加較多的濾波電路并進(jìn)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(shí)，可以大大簡(jiǎn)化接口電路，又因?yàn)槠漭敵鲂盘?hào)為數(shù)字信號(hào)，可較大程度上減小外界干擾對(duì)其造成的影響，較之前一種設(shè)計(jì)電路更方便，穩(wěn)定，閉環(huán)效果更好。

　　結(jié)束語(yǔ)

　　通過(guò)本次實(shí)驗(yàn)，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(dòng)器的電流采集，并且采集到的信號(hào)較為精確，但是在pcb設(shè)計(jì)時(shí)仍要重視高壓與低壓信號(hào)的隔離，并應(yīng)增加適當(dāng)?shù)谋Ｗo(hù)電路及濾波電路。