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摘要：本文介紹了一個伺服控制器電流傳感器的選型和應用方案，分析了傳感器的選型標準、應用場合。并介紹了相應的LEM 新型LTSR傳感器的類型和參數(shù)和外圍回路設計等，對其升級應用進行了闡述。最后根據(jù)分析給出了實測波形。
關鍵詞：電流傳感器 電壓傳感器 伺服控制器
引言
中國已成為了全球紡織品的出口大國，為了提高自身的競爭力，國內各紡織廠家在追求低成本的同時，越來越注重紡織品的質量，而傳統(tǒng)的織布機都是基于機械傳動式的，機械式傳動機構有以下幾個固有缺陷：具有不可避免的機械誤差、長時間運行后由于機械磨損加大誤差、缺乏斷電記憶功能。由于上述的這些固有缺陷使得機械傳動機構的織布機無法織出高質量的布匹。隨著電力電子技術和信號處理技術的不斷發(fā)展，基于電氣式、控制精度更高的伺服控制器在傳統(tǒng)紡織行業(yè)的應用越來越廣泛，這為提高織布機能效，控制精度等提供了技術基礎。由于紡織行業(yè)的工作環(huán)境一般都比較惡劣，為了確保伺服控制器在高溫、高濕和高粉塵密度環(huán)境下可靠的工作，伺服控制器的保護和運行狀態(tài)的實時檢測顯得尤為重要。因此對伺服控制器進行設計時，對電流的監(jiān)測元件的選型成為了關鍵設計因數(shù)之一。以下介紹一個伺服控制器為保護和精確控制設置而選擇傳感器的方案，該方案已在本公司的一款新型紡織機專用伺服控制器中得到了成功的應用。
PWM變頻器檢測點具體分析和設置
該伺服系統(tǒng)由650W永磁同步電機、1KW 伺服控制器和相應的位置采樣編碼器組成。
永磁同步機具有控制精度高、響應速度快等特性在伺服控制中得到了越來越廣泛的應用。該系統(tǒng)采用磁場定向矢量控制方案，其控制的關鍵點為電機的相電流，因此對相電流進行精確采樣對系統(tǒng)的性能有著至關重要的影響。圖一為該伺服控制器功率主回路系統(tǒng)框圖：
圖一 伺服控制器主回路系統(tǒng)框圖
為了保護電容器，系統(tǒng)需要檢測直流測母線電壓值，當電壓出現(xiàn)異常時能夠通知控制系統(tǒng)關閉逆變器以檢查問題。根據(jù)控制程序和控制電路的設定，直流母線電壓被控制在一定的范圍之內。當電動機處于電動狀態(tài)時，電壓會降低；而當電動機處于再生狀態(tài)時，直流母線電壓將上升。如果直流母線電壓達到某一限定值，控制電路將IGBT-DB開通，將電能釋放到再生電阻上，如果再生電阻的上消耗的功率能夠滿足設計要求，此時直流母線電壓將回落，回落至一定的電壓后控制電路將IGBT-DB關閉。同時系統(tǒng)需要檢測輸入伺服電機的電流用于電機磁場定向矢量控制和在發(fā)生電機過載時根據(jù)程序設定關斷IPM。由于通常情況下電機中心點浮動，三相電流平衡，電機電流檢測只需要檢測兩相，另一相電流由計算得出。
因此在該系統(tǒng)中需要兩個高精度的電流傳感器檢測A、B和C三相電流中的任意兩相。傳感器給出的電流值送入電機閉環(huán)控制系統(tǒng)，用來檢測當前電機的運行狀況，同時控制系統(tǒng)根據(jù)該電流值對系統(tǒng)進行修正，以更好的控制電機。這兩個傳感器在安裝位置上可以遠離IGBT等發(fā)熱量較大的部件。這樣我們可以對該傳感器提出以下要求：
（1）高精度，高速度
要精確控制電動機，電流的反饋信號應該足夠準確，速度也應該足夠快，至少能讓控制系統(tǒng)采樣時能夠得到足夠的采樣信號。
（2）低溫度漂移
紡織廠工作環(huán)境溫度較高，最高環(huán)境溫度有時會在50℃以上，同時電流傳感器又安裝在封閉的自然冷卻控制箱內，因此工作環(huán)境溫度更高。
（3）高線性度
為了保證電機力矩控制的精度，傳感器在正常電流范圍內必須有良好的線性度
（4）滿足紡織機振動環(huán)境的要求
根據(jù)上述要求和正常運行時相電流的實際大小，并且考慮電機啟動或發(fā)生異常時出現(xiàn)大電流時可以正常檢測而不至于傳感器飽和。我們選擇了LEM公司的新型LSTR6電流傳感器，該傳感器是基于ASIC技術的閉環(huán)電流傳感器，和開環(huán)傳感器相比有精度高、響應時間短、溫度漂移低，線性度好等優(yōu)點。與前代LTS系列相比，在-40 ℃～85℃溫度范圍內溫漂由100ppm/ ℃降低為37.5ppm/ ℃，使得控制環(huán)的穩(wěn)定性得到了提高。該傳感器采用＋5V單端供電，可共用系統(tǒng)＋5V電源，簡化了電源設計，具有100Khz的寬廣頻帶范圍，響應時間低于400ns， 25℃時的誤差為±0.2%，最大測量范圍可到19.2A，具有多種原邊電路連接方式，可有效提高低電流時的測量精度，具有REF端的輸入、輸出兩種工作模式，可以方便的更改正、負電流測量范圍。
圖二給出了傳感器環(huán)路的原理圖，采用5V單一供電，REF端通過一301K電阻接地，原邊電流輸入方式采用串聯(lián)方式，可以使得小電流時精度提高2倍。在此要注意，REF在不采用電壓偏移校正時不能懸空，而是必須采用一220K以上的電阻接地，如要校正正、負電流測量范圍。REF端可輸入1.9~2.7V電壓。
圖二、傳感器Schematic圖
同時為了降低兩傳感器相互之間的干擾，在PCB上兩傳感器應垂直安裝，如圖三。
圖三、傳感器實物PCB圖
圖四為后續(xù)處理電路的簡化框圖。
圖四、后續(xù)處理電路簡圖
圖五為實測實驗波形圖。
圖五、實測波形圖
本方案選用了LEM公司的新型電流傳感器產品。該公司在傳感器行業(yè)遙遙領先，幾乎處于一個半壟斷的地位。LEM公司為全世界傳感器市場提供了各種各樣的傳感器，被廣泛應用于汽車電子、UPS、SMPS、傳動和運動控制等領域，相比其他傳感器公司的產品有技術領先成本低廉種類多樣等優(yōu)勢，這是我們在本方案中選擇LEM傳感器的原因。目前該產品在經(jīng)過廠家試用和內部測試后已投產。電流傳感器安裝位置的現(xiàn)場工作溫度0 ℃～50℃，
濕度為85％，振動為10Hz,0.8mm(p-p)，在這些條件下傳感器均能穩(wěn)定工作。同時在內部60℃，95％濕度，振動為55Hz,1.55mm(p-p)，條件下滿載運行傳感器同樣工作良好，為系統(tǒng)可靠而良好運行提供了快速準確電流采樣信息。
參考文獻
[1] 《LTSR：基于ASIC技術的閉環(huán)電流傳感器》 北京萊姆電子有限公司
作者簡介
顧斌，上海御能動力科技有限公司伺服產品經(jīng)理，從事伺服控制系統(tǒng)的開發(fā)。通信方式：上海御能動力科技有限公司伺服項目部 郵編200120 電話(021)58821113-333。Email: gub@kinwaytech.com.cn
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