伺服控制系统中高精度电流采样的设计

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 引言

  伺服技术是跟踪与定位控制技术,是机电一体化技术的重要组成部分,它广泛地应用于数控机床、工业机器人等自动化装备中。随着现代工业生产规模的不断扩大,各个行业对电伺服系统的需求日益增大,并对其性能提出了更高的要求。因此研究、制造高性能、高可靠性的伺服驱动系统是工业先进国家竟相努力的目标,有着十分重要的现实意义。

  目前数字伺服驱动器基本被日本、欧美等国家垄断。我国每年需要从国外进口大量的此类设备用于CNC数控机床等行业,进口驱动器价格高,维修服务不便。我国具有自主知识产权的全数字式伺服驱动器于20世纪90年代开始规模化生产制造。华中数控HSV系列全数字交流伺服电机驱动单元具有良好的性能。我公司自主开发的全数字交流伺服系统调速比为1:5000。

  伺服控制系统硬件设计

  数字伺服系统主要由五部分组成:永磁同步电动机,电源模块,驱动与逆变电路模块,速度与位置检测电路模块以及控制电路模块。控制电路模块包括核心控制芯片,人机界面和通讯模块四部分;驱动与逆变电路模块包括逆变器主电路,电压/电流采样电路,过压/欠压保护、上电限流保护与制动电路等,伺服的核心控制芯片采用TI公司最新的电机专用控制芯片TMS320F2812。

  以TMS320F2812 DSP为控制核心(见图1),接收来自CNC、编码器接口、电流检测模块和故障信号处理模块的信息,完成对永磁同步电机控制和故障处理。光电隔离模块作为电子电路与功率主电路的接口,将DSP发出的SVPWM信号经送入IPM模块,完成DC/AC逆变,驱动电动机旋转。编码器接口将绝对式编码器所记录的永磁同步电动机的磁极位置、电动机转向和编码器报警等信息送往DSP,同时将永磁同步电动机的位置信息送往CNC。电机相电流经电流检测模块量测、滤波、幅度变换、零位偏移、限幅,转化为0~3V的电压信号送入DSP的A/D引脚。功率主电路的过压、欠压、短路、电源掉电和IPM故障等信号经故障检测模块检测与处理后,送入DSP的I/O端口。键盘与显示模块是控制器的人机接口,用以完成控制参数的输入,运行状态与运行参数显示。存储器模块用以存储控制参数与系统故障信息。

 

  逆变电路使用的是三菱公司的IPM模块,该智能功率模块采用第5 代IGBT 工艺,内置优化后的栅级驱动和保护电路,以超小型体积,输出功率强劲的三相波形。它具有以下突出性能:完整的功率输出电路,直接连接负载;内置栅极驱动电路;短路保护;驱动电压欠压保护;采用第五代低功耗IGBT 管芯;超小型体积,仅重65 克。

       数字伺服系统的控制策略

  数字伺服系统一般是由三个闭环来完成,其原理如图2所示,第一层是位置环、第二层是速度环、第三层是电流环;其中位置、速度都是外环,而电流环则是系统内的内环,它的构成是由核心硬件以及关键解算软件组成的,全数字伺服系统是数控机床的核心传动部分,也是技术难度最大的部分,其最主要的特点就是高速、高精、功能丰富多样。电流环是伺服系统的核心控制环,而保证速度精度以及力矩平稳性的最关键就是数字伺服中的电流环的设计,所以一个系统性能是否优秀与电流环的设计息息相关。

 

  LEM传感器与电流采样电路

  因为采样的精度和速度直接导致整个电流环的运算精度,从而直接对系统的性能产生非常重大的影响。而在电量参数测量领域内,莱姆(LEM)公司的霍尔电流传感器由于其稳定可靠的产品性能成为本系统设计的首选,LTS25-NP传感器采用的是单电源供电,相对于采用双电源供电的传感器, 莱姆传感器在外围的硬件电路设计上更加简单,不需要增加电压抬升电路从而减少电源对系统的干扰。此款传感器另一优点是温漂小,精度高;而且内置采样电阻,其输出端是电压型输出,避免了因增加外接采样电阻以及运放后进入DSP使精度有所降低。

  该传感器有正极(+5)、测量端(OUT)及地(0)三个引脚,如图3所示。该款传感器是闭环霍尔电流传感器,使用霍尔器件作为核心敏感元件、用于隔离检测电流的模块化产品。为防止干扰,在霍尔传感器的供电电源端和地端单独并接一只1μF的退耦滤波电容。

 

  电流检测电路是把永磁同步电机的三相定子电流经传感器后进入DSP转换成是数字形式并进行一系列的变换,由于本系统是三相平衡系统:Ia+Ib+Ic=0;因此只需要检测其中两相电流,就可以得到三相电流。由永磁同步电机的数学模型可知,定子电流检测的精度和实时性是整个矢量控制系统精度的关键,因此本系统采用LTS25-NP型传感器来检测电流。

         在本系统中,由两个LEM模块检测A相和B相的电流。在实际调试中,由于经过传感器出来的电流信号有高次谐波及其它干扰信号,因此必需设计滤波器把高次谐波及其它干扰信号抑制掉。结合实际情况考虑,设计了带有电压跟随的二阶低通滤波器的电流检测电路,具体电路如图4所示。

 

  在开关模式控制下,相电流信号含有需要滤出的高次谐波。设计中,首先利用PSpice软件对滤波器进行虚拟设计,经过仿真验证后,确定采用二阶的巴特沃斯滤波器结构,系统利用电流传感器检测电流,经滤波、幅度变换、零位偏移、限幅,转化为0~3V的电压信号送入DSP的A/D引脚。

  实验结果

  实验中,PWM频率为15kHz,死区时间为3μs,电流环采样周期为67μs,速度环采样周期为0.67ms,速度环的输出限幅值为额定电流的1.5倍,电流环的输出限幅为额定电压的1.2倍。实验控制一台8极的永磁同步电动机电机,其参数为:额定功率1.88kW,额定转速2500r/min,额定电流7.5A,额定转矩7.5 Nm,额定电压220V。电机分别在200rpm、2000rpm 且速度调节器参数设置为:kpv=0.5,kiv=0.02;电流调节器参数设置为:kpi=0.2,kii=0.02时的起动—停止过程的转速曲线分别如图5和图6所示。

  从图所示的实验波形可看出当电机空载运行时,系统运行在速度电流闭环状态下,可迅速达到稳态,超调及稳态误差都很小,实验结果表明本系统设计合理,具有良好的动静态性能。

        结语

  在本系统应用中,LEM传感器能正确的测量电机电流,并转换成相应输出量,各方面性能指标都能满足本系统的要求。所设计的伺服驱动控制器在数控加工中心进行机械加工测试,得到了微米级加工精度的良好结果。