于TLV2374的弧線電機(jī)電流采樣系統(tǒng)

　　電流環(huán)在伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中占有重要地位，直接決定伺服系統(tǒng)的好壞，很多文獻(xiàn)都對(duì)電流采樣進(jìn)行了研究。電流環(huán)是望遠(yuǎn)鏡驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)的內(nèi)環(huán)，電流采樣的精度和速度直接影響整個(gè)電流環(huán)的運(yùn)算精度，從而對(duì)望遠(yuǎn)鏡機(jī)架驅(qū)動(dòng)跟蹤性能產(chǎn)生重大影響，電流環(huán)的設(shè)計(jì)是保證望遠(yuǎn)鏡跟蹤目標(biāo)的速度精度及力矩平穩(wěn)性的關(guān)鍵部分。在此設(shè)計(jì)了基于單電源供電的電流采樣電路，并采用TMS320F2812實(shí)現(xiàn)電流采樣環(huán)節(jié)的A/D轉(zhuǎn)換，為后續(xù)控制器的設(shè)計(jì)提供了方便。

　　2 機(jī)架驅(qū)動(dòng)電流采樣電路設(shè)計(jì)

　　采用弧線交流PMSM，定子直徑為2.5 m，轉(zhuǎn)子直徑為2.2 m，15組定子單元，60對(duì)極的磁極組成轉(zhuǎn)子，每組定子單元與4對(duì)極的轉(zhuǎn)子組成一臺(tái)弧線型交流PMSM，共由15組單元電機(jī)組成。其中任意一臺(tái)單元電機(jī)可獨(dú)立工作，也可和其中的幾臺(tái)電機(jī)一起工作。2.5 m直接驅(qū)動(dòng)電機(jī)可驅(qū)動(dòng)口徑為4 m的望遠(yuǎn)鏡。電機(jī)參數(shù)：額定功率3 kW;額定電壓380 V;額定電流12 A;額定頻率0.533 Hz;轉(zhuǎn)動(dòng)慣量262.74kg·m2;額定轉(zhuǎn)速4 r·min-1;定子電阻33 Ω;極對(duì)數(shù)為60。

　　目前常用的控制器有單片機(jī)、ARM及DSP等數(shù)字系統(tǒng)。電機(jī)輸出的電流是模擬信號(hào)，在此選取TMS320F2812實(shí)現(xiàn)A/D轉(zhuǎn)換，電流采樣電路是單電源供電的TLV2374。根據(jù)電機(jī)參數(shù)，電流傳感器采用LTS25-NP。

　　2.1 望遠(yuǎn)鏡機(jī)架驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)總框圖

　　所設(shè)計(jì)的電流檢測(cè)電路將弧線交流PMSM的三相定子電流經(jīng)電流傳感器后進(jìn)入DSP的A/D口，將其轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，便于控制器及逆變器信號(hào)的處理。由于弧線電機(jī)的定子繞組采用Y接法，則有ic=ia+ib，因此只需要檢測(cè)其中兩相電流，即可得到三相電流。交流PMSM要想實(shí)現(xiàn)高性能的閉環(huán)控制，電流反饋環(huán)節(jié)必不可少，只有檢測(cè)出定子繞組的電流，才能為逆變環(huán)節(jié)即SVPWM算法的實(shí)現(xiàn)提供基礎(chǔ)。由PMSM工作原理可知，定子電流檢測(cè)的精度和實(shí)時(shí)性是決定整個(gè)矢量控制系統(tǒng)精度的關(guān)鍵。

　　對(duì)于精密弧線電機(jī)，驅(qū)動(dòng)望遠(yuǎn)鏡時(shí)，閉環(huán)才是保證跟蹤目標(biāo)和圖像質(zhì)量的首選控制方式，能實(shí)現(xiàn)高精度、高性能的傳動(dòng)和伺服控制。另外，一個(gè)完善可靠的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)在硬件上包括過壓、欠壓、過流保護(hù)等各類故障檢測(cè)和保護(hù)電路，這些電路均需檢測(cè)電機(jī)的電壓和電流信號(hào)?；【€交流PMSM的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)由位置環(huán)、速度環(huán)、電流環(huán)組成，圖1示出望遠(yuǎn)鏡機(jī)架驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)總框圖。

　　2.2 TLV2374電流采樣電路設(shè)計(jì)

　　TLV2374器件是單電源供電運(yùn)算放大器，具有軌對(duì)軌的輸入輸出能力，最低操作供電電壓至2.7 V，軌對(duì)軌的擺幅輸出特性，可提供3 MHz的帶寬，僅需550μA的工作電流，最大工作電壓可達(dá)16 V。經(jīng)過長(zhǎng)時(shí)間的研究及實(shí)驗(yàn)，這里給出單電源供電的電流采樣系統(tǒng)的詳細(xì)設(shè)計(jì)過程。

　　系統(tǒng)采用的電流傳感器IXS25-NP是閉環(huán)原理的傳感器，5 V單電源供電，使外圍的硬件電路設(shè)計(jì)更簡(jiǎn)單，無需增加電壓抬升電路，從而減少了電源對(duì)系統(tǒng)的干擾。該電流傳感器溫漂小，精度高，采樣電阻是內(nèi)置式的，為電壓型輸出，避免了出現(xiàn)因增加外接采樣電阻及運(yùn)放后進(jìn)入DSP使精度有所降低的情況，輸出特性曲線如圖2所示。

　　電流傳感器的接法共有3種，按其中一種接法，電流傳感器的輸出電壓范圍是1.9～3.1 V，該范圍的電壓不能直接送入到DSP的A/D(0～3 V)進(jìn)行轉(zhuǎn)換，且電壓范圍過小，必然降低A/D轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換精度，為充分利用A/D轉(zhuǎn)換器，在此根據(jù)實(shí)際A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果，設(shè)計(jì)了電流采樣電路，將滿量程時(shí)信號(hào)的輸出范圍調(diào)整到0～2.8 V，實(shí)驗(yàn)證明超過2.8 V將導(dǎo)致有時(shí)輸出是飽和狀態(tài)，為預(yù)防電路在非正常情況下?lián)p壞DSP的A/D接口，電路中增加了限幅電路。設(shè)采樣電路輸入為Uin，范圍是1.9～3.1 V，采樣電路的輸出為Uo，范圍是0～2.8 V，設(shè)輸入輸出為線性關(guān)系，則有：

　　Uo=AUin+B (1)

　　根據(jù)輸入輸出之間的關(guān)系，計(jì)算出A=7/3和B=-133/30，即：

　　Uo=7Uin/3-133/30 (2)

　　由式(2)知輸入輸出的實(shí)質(zhì)是由運(yùn)放構(gòu)成的減法電路，設(shè)計(jì)出單電源運(yùn)放組成的減法電路即可。由于TLV2374是單電源供電，可知其供電電壓正電源是5 V，負(fù)電源是2.5 V，在此采用電壓基準(zhǔn)芯片并調(diào)整得到2.5 V基準(zhǔn)電壓，若設(shè)電流傳感器的輸出為Uin1，2.5 V基準(zhǔn)電壓為Uin2，則有：

　　Uo=7Uin1/3-133Uin2/75 (3)

　　選擇合適的電阻實(shí)現(xiàn)該采樣電路。圖3為電流傳感器的檢測(cè)采樣電路，共有4級(jí)處理：第1級(jí)進(jìn)行阻抗變換;第2級(jí)是二階有源濾波電路;第3和第4級(jí)是上式算出的減法電路，其中，為保證輸入輸出為式(3)的關(guān)系，有意在比例電路部分放置了兩個(gè)1/1 000的精密可調(diào)電阻來調(diào)節(jié)輸入輸出的線性關(guān)系。需注意在使用單電源供電的運(yùn)放時(shí)，比例增益都是相對(duì)同相端的電壓而言。