伺服驅(qū)動(dòng)器中電流采樣電路的設(shè)計(jì)
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現(xiàn)如今，交流伺服電機(jī)因?yàn)槠鋬?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(dòng)器作為伺服電機(jī)的控制系統(tǒng)，其本身的優(yōu)劣將直接影響到驅(qū)動(dòng)電機(jī)的使用性能。
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，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?，并將該電壓值通過線性光耦進(jìn)行隔離放大，再經(jīng)過運(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，可通過串聯(lián)在繞組回路的采樣電阻來進(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是開漏的pwm輸出腳，在本次實(shí)驗(yàn)過程中，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通過低端igbt下拉到地時(shí)，自舉電容c1便通過自舉二極管d1用+15v的vcc電源進(jìn)行充電，從而提供了電源vbs。當(dāng)vs通過高端開關(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
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-260mv～+260mv時(shí)，ir2175的端輸出一個(gè)典型值為2μs的低電平有效的過流信號(hào)。
通過對(duì)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(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％
評(píng)論