暨綿浩 麻文興 楊建清
廣州數(shù)控設(shè)備有限公司，廣州（510165）
摘要 ：本文探討了在高精度伺服控制系統(tǒng)中基本控制方案以及電流環(huán)的控制策略。詳細敘述了電流采樣與處理，以及關(guān)鍵件的選型。
關(guān)鍵詞： LEM電流傳感器 空間矢量控制 DSP 伺服控制
中圖分類號： TM351 文獻標(biāo)識碼： A
The Application of LEM Hall Current Transducer in Digital Servo Driver
And Design of Digital Servo Current Loop
JI Mianhao, MA Wenxing, YANG Jianqing
GSK CNC EQUIPMENT CO..LTD.
Guangzhou (510165)
Abstract ： This paper presents the proposed control in high performance digital sevro control system and digital curen loop. Based on this, This paper briefly introduces the design of the curen loop and the selection of the key component .
Key words: LEM Current Transducer; SVPWM, DSP, Servo Control
一、引言
伺服技術(shù)是跟蹤與定位控制技術(shù)，是機電一體化技術(shù)的重要組成部分，它廣泛地應(yīng)用于數(shù)控機床、工業(yè)機器人等自動化裝備中。隨著現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)規(guī)模的不斷擴大，各個行業(yè)對電伺服系統(tǒng)的需求日益增大，并對其性能提出了更高的要求。因此研究、制造高性能、高可靠性的伺服驅(qū)動系統(tǒng)是工業(yè)先進國家竟相努力的目標(biāo)，有著十分重要的現(xiàn)實意義。
目前數(shù)字伺服驅(qū)動器基本被日本、歐美等國家壟斷。我國每年需要從國外進口大量的此類設(shè)備用于CNC數(shù)控機床等行業(yè)，進口驅(qū)動器價格高，維修服務(wù)不便。我國具有自主知識產(chǎn)權(quán)的全數(shù)字式伺服驅(qū)動器約于90年代開始規(guī)�；a(chǎn)制造。華中數(shù)控HSV系列全數(shù)字交流伺服電機驅(qū)動單元具有良好的性能。我公司自主開發(fā)的全數(shù)字交流伺服系統(tǒng)調(diào)速比為1:5000。高端產(chǎn)品往往要采用國外的交流伺服系統(tǒng)，主要是國產(chǎn)伺服驅(qū)動控制器在高速和高精等控制特性方面，與日本的FANUC、三菱、松下、富士以及德國的西門子等國外先進產(chǎn)品相比，還存在著顯著差距。
二、數(shù)字伺服系統(tǒng)的控制策略
數(shù)字伺服系統(tǒng)一般是由三個閉環(huán)來完成. 其原理如圖1所示，第一層是位置環(huán)、第二層是速度環(huán)、第三層是電流環(huán)；其中位置、速度都是外環(huán)，而電流環(huán)則是系統(tǒng)內(nèi)的內(nèi)環(huán)，它的構(gòu)成是由核心硬件以及關(guān)鍵解算軟件組成的，全數(shù)字伺服系統(tǒng)是數(shù)控機床的核心傳動部分，也是技術(shù)難度最大的部分，其最主要的特點就是高速、高精、功能豐富多樣。電流環(huán)是伺服系統(tǒng)的核心控制環(huán)，而保證速度精度以及力矩平穩(wěn)性的最關(guān)鍵就是數(shù)字伺服中的電流環(huán)的設(shè)計，所以一個系統(tǒng)性能是否優(yōu)秀與電流環(huán)的設(shè)計息息相關(guān)。
圖1 永磁同步電機伺服系統(tǒng)的基本框圖
永磁同步電機矢量控制系統(tǒng)框圖如圖2所示.從圖2可知，永磁同步電機矢量控制系統(tǒng)主要由下面幾部分組成：1）轉(zhuǎn)子磁極位置檢測和速度計算模塊；2）速度，電流調(diào)節(jié)器；3）坐標(biāo)變換模塊；4）SVPWM模塊；5）整流和逆變模塊；6）電壓/電流采樣模塊。其控制過程如下：速度指令信號與檢測到的轉(zhuǎn)子速度信號相比較，經(jīng)速度控制器的調(diào)節(jié)，輸出 指令信號，作q軸電流控制器給定信號，d軸電流控制器的給定信號為0。電流采樣得到的三相定子電流 通過Clark變換化為 坐標(biāo)系兩相電流 ，通過Park變換后，化為d-q旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系的電流值 ，分別是d軸和q軸電流調(diào)節(jié)器的反饋輸入。d軸和q軸電流的給定和反饋之間的偏差分別輸入到d軸和q軸的電流控制器，經(jīng)過控制器的調(diào)節(jié)后輸出電壓 ，再經(jīng)過Park逆變換分別化為α-β坐標(biāo)系軸電壓 ，調(diào)制SVPWM模塊輸出六路PWM，驅(qū)動IGBT產(chǎn)生頻率和幅值可變的三相正弦電流輸入電機。
圖 2 永磁同步電機 矢量控制系統(tǒng)框圖
三、數(shù)字伺服電流環(huán)設(shè)計概要
電流環(huán)由電流調(diào)節(jié)器和逆變器組成，其作用是使電機繞組電流實時、準確地跟蹤電流參考信號，電流控制器主要有線性電流控制器、滯環(huán)電流控制器和預(yù)測電流控制器三種。在線性電流控制器中，電機繞組電流與參考電流相比較，其差值通過PI控制器與三角波信號相比較，從而產(chǎn)生PWM信號控制逆變器。其優(yōu)點是逆變器的開關(guān)頻率固定，缺點是易產(chǎn)生相移和系統(tǒng)延遲。在線性電流控制系統(tǒng)中，PWM開關(guān)頻率的變化對轉(zhuǎn)矩波動的影響不是很大，因此PWM開關(guān)頻率的選擇應(yīng)主要以適應(yīng)電機的轉(zhuǎn)速范圍為依據(jù)，而并不是越高越好。在滯環(huán)電流控制器中，電機繞組電流與參考電流利用滯環(huán)比較器進行比較，滯環(huán)比較器的輸出用于控制逆變器。其優(yōu)點是瞬態(tài)響應(yīng)能力好，不存在相稱和系統(tǒng)延遲，缺點是逆變器的開關(guān)頻率不固定。采用滯環(huán)電流控制時，帶寬對電機的轉(zhuǎn)矩波動影響很大，為了減小轉(zhuǎn)矩波動宜采用較小的帶寬，但是帶寬的減小受到逆變器開關(guān)能力的限制，這在設(shè)計時需要綜合考慮。在預(yù)測電流控制器中，利用繞組實際電流的采樣值與參考電流的采樣值及電機的電壓方程，計算出強迫實際電流跟隨參考電流所需的電壓，通過PWM控制逆變器，采用積分補償環(huán)節(jié)，可以有效地彌補電機參數(shù)變化對電壓計算結(jié)果的影響，這種電流控制方法具有良好的穩(wěn)態(tài)和動態(tài)性能，其缺點是結(jié)構(gòu)復(fù)雜并需要高速微處理器。
四、伺服系統(tǒng)的硬件設(shè)計 及 電流傳感器選型
交流伺服系統(tǒng)主要由五部分組成：永磁同步電動機，電源模塊，驅(qū)動與逆變電路模塊，速度與位置檢測電路模塊以及控制電路模塊。 控制電路模塊包括核心控制芯片,人機界面和通訊模塊四大部分；驅(qū)動與逆變電路模塊包括逆變器主電路，電壓/電流采樣電路，過壓/欠壓保護、上電限流保護與制動電路等,以下介紹核心控制芯片,逆變電模塊(IPM)及著重介紹電流傳感器的選型。
伺服的核心控制芯片采用TI公司最新的電機專用控制芯片TMS320F2812。與其它同類DSP相比它有以下突出性能:(1)采用高性能的靜態(tài)CMOS技術(shù),主頻可以達到150MIPS,使得指令周期縮短到6.67ns(150MHz),并采用32位操作,從而大大提高處理能力;(2) 低功耗,供電電壓降為1.8V(內(nèi)核)和3.3V(I/O);(3)片內(nèi)高達128K字的FLASH程序存儲器,18K的SARAM和4K的ROM;(4)具有12位的A/D轉(zhuǎn)換器,最小轉(zhuǎn)換時間為80ns等.
逆變電路使用的是三菱公司的IPM模塊PS21867，該款智能功率模塊采用第5 代IGBT 工藝，內(nèi)置優(yōu)化后的柵級驅(qū)動和保護電路，以不可思議的超小型體積，輸出功率強勁的三相波形。它具有以下突出性能:(1)完整的功率輸出電路，直接連接負載;(2)內(nèi)置柵極驅(qū)動電路;(3)短路保護；(4)驅(qū)動電壓欠壓保護；(5)采用第五代低功耗IGBT 管芯；(6)超小型體積，僅重65 克.
因為采樣的精度和速度直接導(dǎo)致整個電流環(huán)的運算精度，從而直接對系統(tǒng)的性能產(chǎn)生非常重大的影響。而在電量參數(shù)測量領(lǐng)域內(nèi)，作為首屈一指的領(lǐng)導(dǎo)廠商萊姆（LEM）公司的霍爾電流傳感器由于其穩(wěn)定可靠的產(chǎn)品性能成為本系統(tǒng)設(shè)計的首選。型號為LTS25-NP. 此款傳感器采用的是單電源供電,相對于采用雙電源供電的傳感器, 萊姆傳感器在外圍的硬件電路設(shè)計上更加簡單,不需要增加電壓抬升電路(雙電源供電的傳感器必須增加電壓抬升電路使負電壓轉(zhuǎn)換為正電壓后才能進入DSP)從而減少電源對系統(tǒng)的干擾.。此款傳感器另一優(yōu)點是溫漂小,精度高;而且內(nèi)置采樣電阻,其輸出端是電壓型輸出,避免了因增加外接采樣電阻以及運放后進入DSP使精度有所降低. LTS25-NP.型傳感器的具體特點和性能參數(shù)如下：(1) 原邊額定電流有效值IPN ：25A; (2) 原邊電流測量范圍IP ：0～±80A; (3) 供電電壓: +5V; (4) 輸出電壓Vout ：2.5±0.625V; (5) 轉(zhuǎn)換率KN ＝NP ：NS 為：1：2000; (6)總精度：±0.2％; (7) 線性度：小于0.1％; (8) 反應(yīng)時間：小于500ns;
圖 3 閉環(huán)電流霍爾傳感器原理圖
該傳感器有正極（+5）、測量端（OUT）及地（0）三個管腳，如圖3所示。其工作原理如下：該款傳感器是閉環(huán)霍爾電流傳感器,使用霍爾器件作為核心敏感元件、用于隔離檢測電流的模塊化產(chǎn)品，其工作原理是霍爾磁平衡式的(或稱霍爾磁補償式、霍爾零磁通式)。當(dāng)電流流過一根長的直導(dǎo)線時，在導(dǎo)線周圍產(chǎn)生磁場，磁場的大小與流過導(dǎo)線的電流的大小成正比，這一磁場可以通過軟磁材料來聚集，然后用霍爾器件進行檢測，由于磁場的變化與霍爾器件的輸出電壓信號有良好的線性關(guān)系，因此，可以用測得的輸出信號，直接反應(yīng)導(dǎo)線中電流的大小。為防止干擾，在霍爾傳感器的供電電源端和地端單獨并接一只1uF的退耦濾波電容。
五、LEM 傳感器與電流檢測電路
電流檢測電路是把永磁同步電機的三相定子電流經(jīng)傳感器后進入DSP轉(zhuǎn)換成是數(shù)字形式并進行一系列的變換,由于本系統(tǒng)是三相平衡系統(tǒng):Ia+Ib+Ic=0; 因此只需要檢測其中兩相電流,就可以得到三相電流. 由永磁同步電機的數(shù)學(xué)模型可知, 定子電流檢測的精度和實時性是整個矢量控制系統(tǒng)精度的關(guān)鍵, 因此本系統(tǒng)采用LTS25-NP.型傳感器來檢測電流.
在本系統(tǒng)中，由兩個LEM模塊檢測A相和B相的電流. 在實際調(diào)試中，由于經(jīng)過傳感器出來的電流信號有高次偕波及其它干擾信號，因此必需要設(shè)計濾波器把高次偕波及其它干擾信號抑制掉。結(jié)合實際情況考慮，本文設(shè)計了帶有電壓跟隨的二階低通濾波器的電流檢測電路，具體原理圖如圖4所示。
圖4 電流 檢測及模擬 二階低通濾波器設(shè)計電路
在上圖中，二階低通濾波器參數(shù)選則及計算一般按照以下公式：
上式表示低通濾波器的截止頻率。在本設(shè)計中取電阻R=10KΩ，C3=0.1μ,C4=0.05μ。因此計算出濾波器的截止頻率 為224Hz。經(jīng)過上述的設(shè)計后，從濾波器出來的信號基本上是不含有高次偕波及其它干擾源的電流信號，這個信號通過后級電路放大及限幅處理后使電壓幅值限定在0—3V內(nèi)再進入DSP進行處理。
六、實驗結(jié)果
實驗系統(tǒng)中，PWM頻率為15kHz，死區(qū)時間為3μs，電流環(huán)采樣周期為67μs，速度環(huán)采樣周期為0.67ms，速度環(huán)的輸出限幅值為額定電流的1.5倍，電流環(huán)的輸出限幅為額定電壓的1.2倍。實驗控制一臺8極的永磁同步電動機電機，其參數(shù)為:額定功率:2.2kW，額定轉(zhuǎn)速:3000r/min，額定電流:5A，額定轉(zhuǎn)矩: 5 Nm, 額定電壓: 220V。電機分別在10 rpm、200 rpm、1000 rpm、2000 rpm 且速度調(diào)節(jié)器參數(shù)設(shè)置為：kpv =0.5，kiv =0.02；電流調(diào)節(jié)器參數(shù)設(shè)置為：kpi =0.2，kii =0.02時的起動—停止過程的轉(zhuǎn)速曲線分別如圖5至8所示。
從圖所示的實驗波形可看出當(dāng)電機空載運行時，系統(tǒng)運行在速度電流閉環(huán)狀態(tài)下,可迅速達到穩(wěn)態(tài)，超調(diào)及穩(wěn)態(tài)誤差都很小，實驗結(jié)果表明本系統(tǒng)設(shè)計合理，具有良好的動靜態(tài)性能。
圖 5 10 rpm 起動—停止曲線 圖 6 200 rpm 起動—停止曲線
圖 7 1000 rpm 起動—停止曲線 圖 8 2000 rpm 起動—停止曲線
七 、結(jié)束語
在本系統(tǒng)應(yīng)用中，LEM傳感器能正確的測量電機電流,并轉(zhuǎn)換成相應(yīng)輸出量，各方面性能指標(biāo)都能滿足本系統(tǒng)的要求, 是一款非常不錯的產(chǎn)品, 在本系統(tǒng)研發(fā)的過程中，非常多謝該公司的張家偉和于寧兩位工程師周到的服務(wù)和技術(shù)支持. 希望以后LEM電子公司能提供更多的產(chǎn)品和更好的技術(shù)支持,一起為我國的高端伺服控制產(chǎn)業(yè)取得更大的發(fā)展而努力.
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作者簡介
暨綿浩（1980- ）；男；籍貫：廣東廣州；碩士；任職于廣州數(shù)控設(shè)備有限公司,主要從事伺服驅(qū)動器研發(fā).
麻文興（1980- ）；男；籍貫：湖南花垣；電氣工程師；任職于廣州數(shù)控設(shè)備有限公司,主要從事伺服驅(qū)動器研發(fā).
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