关于解决交流伺服系统的高速度高精度有效技术分析

发布时间：2009-05-24 作者：吴康，艾伦电气自动化技术有限公司

　　伺服技术是跟踪与定位控制技术，作为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，各个行业对数字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竞相努力的目标，有着十分重要的现实意义。
　　而数字伺服系统一般是由三个闭环来完成。
　　可以看出，数字伺服系统包括：第一层绝对位置检测环、第二层速度检测环、第三层电流检测环等组成。其中位置环、速度环都是外环，而电流检测环则是系统内的内环，它是由核心硬件以及关键解算软件构成。全数字伺服系统是数控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度、高精度及丰富的多功能。而其电流检测环是该数字伺服驱动器的核心控制环，该电流检测环是保证数字伺服系统高速度高精度以及力矩平稳性最关键的设计，它与一个系统性能是否优秀息息相关。为此本文将对模块型电流传感器在数字伺服驱动器电流检测环设计中的应用作为重点分析，并以对交流数字伺服系统驱动器的主要构建作说明。
　　为便于下述分析应先对永磁同步电机的矢量控制系统控制过程作一下说明：速度指令信号与检测到的转子速度信号相比较，经速度控制器的调节，输出指令信号。电流采样得到的三相定子电流通过变换化为坐标系两相电流，通过变换后，化为旋转坐标系的电流值，分别是电流调节器的反馈输入。电流的给定和反馈之间的偏差分别输入到电流控制器，经过控制器的调节后输出电压，再经过逆变换分别化为坐标系轴电压，调制SVPWM模块输出六路PWM，驱动IGBT产生频率和幅值可变的三相正弦电流输入电机。

　　数字伺服电流检测环的架构与设计 
　　数字伺服电流检测环的架构
　　当今的交流数字伺服系统基本组成是由永磁同步电动机，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等组成。其中：控制电路模块包括核心控制芯片，人机界面和通讯模块三大部分；而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。

　　图1  永磁同步电机伺服系统原理 

　　那么该类数字伺服系统驱动器的核心控制环—数字伺服电流检测环基本架构是什么呢？
　　由图1所示的第三层电流检测环（简称电流环）所知,电流环由电流调节器和逆变器组成（图2虚线框为电流调节器和逆变器与永磁同步电机组成示意图），其作用是使电机绕组电流能实时与准确地跟踪电流参考信号。

  图2  数字伺服系统驱动器的电流检测环

　　而电流调节器可以应用线性电流控制器、滞环电流控制器和预测电流控制器三种。
　　其一、在线性电流调节器中，电机绕组实际电流的采样值与参考电流相比较，其差值通过(比例积分)控制器与三角波信号相比较，从而产生PWM信号控制逆变器。其优点是逆变器的开关频率固定，缺点是易产生相移和系统延迟。在线性电流控制系统中，PWM开关频率的变化对转矩波动的影响不是很大，因此PWM开关频率的选择应主要以适应电机的转速范围为依据，而并不是越高越好。
　　其二、在滞环电流调节器中，电机绕组实际电流的采样值与参考电流利用滞环比较器进行比较，滞环比较器的输出用于控制逆变器。其优点是瞬态响应能力好，不存在相称和系统延迟，缺点是逆变器的开关频率不固定。采用滞环电流控制时，带宽对电机的转矩波动影响很大，为了减小转矩波动宜采用较小的带宽，但是带宽的减小受到逆变器开关能力的限制，这在设计时需要综合考虑。
　　其三、在预测电流调节器中，利用绕组实际电流的采样值与参考电流的采样值及电机的电压方程，计算出强迫实际电流跟随参考电流所需的电压，通过PWM控制逆变器，采用积分补偿环节，可以有效地弥补电机参数变化对电压计算结果的影响，这种电流控制方法具有良好的稳态和动态性能，其缺点是结构复杂并需要高速微处理器。

　　数字伺服电流检测环的设计
　　由于数字伺服系统的高速度高精度的关键是数字伺服电流检测环的设计，而该设计的核心部件是应用何种电流传感器作为数字伺服系统电流环的电流检测电路，它是解决交流伺服系统的高速度高精度有效途径。
　　由图2所知，电流检测电路是把永磁同步电机的三相定子电流经电流传感器后进入DSP的一种数字变换，由于本伺服系统系统是三相平衡系统，故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，因此本系统采用采用新型的LEM模块型LA25-Np安装式多量程霍尔电流传感器来检测电流是一种良好选择。
　　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，霍尔电流传感器由于其稳定可靠的产品性能成为本数字伺服系统设计的首选。这是为什么? 只因它的特点是能应用霍尔效应对直流、工频、高频等各种波形的电流进行测量，并且是电隔的，其输出为电压信号.其最大优越性是量程大、精度高、功耗小、重量轻、使用方便可靠。

　　图3  为LA25-NP电流传感器ICI检测高频大电流应用示意

　　LA25-Np是利用霍尔效应和磁平衡原理的一种多量程电流传感器，能够测量直流，交以及各种脉冲电流，同时在电气上是高度绝缘的。其内部结构电路,见图3中间虚线内的IC1所示. 从图中可看出它由由集磁环和霍尔磁敏元件与运算放大器及VP1与VP2组成推挽功率放大输出及反馈补偿电输路等组成。
 LA25-Np主要技术指标：初级额定电流Ip可为多量程(5、6、8、12、25A),而根据本项目应用仅选用25A额定电流即可；测量电流范围18A；额定输出Is为24mA;测量最大误差(25℃)为±0.6%;电流频率(即带宽) 可达200Khz；响应时间小于1μs；线性度(%FS)为小于±0.2%；失调温漂移：0℃-25℃时为±0.06mA，25℃-70℃时为±0.1mA；电源电压为±12V。
　　从图3看出,利用集磁环将通过初级线圈Np的被测高频电流IP产生的磁场收集后，作用于霍尔元件并产生电压信号Ui加到运算放大器A，经放大到后级由VP1与VP2组成的推挽功率放大，其输出的次级电流(又称为补偿电流)Is流经次级线圈(又称为补偿线圈)N2。使补偿线圈Ns产生的磁场(Is NS)与初级电流IP产生的磁场(IP Np)方向相反，因而补偿了初级磁场, 其补偿过程实际上是在通过反复在平衡点附近反复振荡过程, 最后在1μs形成动态平衡,使霍尔输出电压逐步减少，直到初次级(补偿) 磁场相等，使霍尔输出电压为零。这就是磁平衡检测的核心。由此，应用该模块磁电转换部分能在磁平衡状态下工作的特点，即NpIP (初级磁场)和NS Is(次级 磁场)基本相等。使被检测的高频电流在电阻R上形成的电压输出VR, 并从模块脚M输出。图4为LA25-NP功能引脚图，其测量电阻Rm取150Ω, 而VR=Is·Rm. 通过公式推导出VR 为:

　　图4  LA25-NP多量程霍尔电流传感器选额定电流为12A功能引脚示意图

　　输出电压VR经过由肖特基MBR20A300V二级管的全波V1、V2、V3、V4所组成的全波桥式整流为真流电压Vr送至后级。
　　由上分析可得出,用磁检测器检测磁芯中次级电流所产生的磁场补偿初级电流所产生磁场的程度，使之在零磁通状态下工作，因此可有近似等式Np·Ip=Ns·Is成立。

　　交流数字伺服系统驱动器的构建
　　除了上述的数字伺服系统电流检测环是核心控制环之外，数字伺服系统的硬件设计还需由DSP控制芯与逆变电路使用的IPM智能功率模块等主要部件共同构成。
　　而数字伺服系统的核心控制芯片采用TI公司最新的电机专用控制芯片TMS320F2812。与其它同类DSP相比它有以下突出性能：采用高性能的静态CMOS技术，主频可以达到150MIPS，使得指令周期缩短到6.67ns(150MHz)，并采用32位操作，从而大大提高处理能力；低功耗，供电电压降为1.8V(内核)和3.3V(UO)；片内高达128K字的FLASH程序存储器，18K的SARAM和4K的ROM；具有12位的A／D转换器，最小转换时间为80ns等。
　　而逆变电路使用的IPM模块是PS21867型(三菱公司产)，该款智能功率模块采用第5代IGBT，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。
　　在本交流数字伺服系统中，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偕波及其它干扰信号，因此必需要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，本设计还需带有电压跟随的二阶低通滤波器的电流检测电路。经过上述的设计后，从滤波器出来的信号基本上是不含有高次谐波及其它干扰源的电流信号，这个信号通过后级电路放大及限幅处理后使电压幅值限定在0~3V内再进入DSP进行处理。

　　交流数字伺服系统运行指标
　　本系统中，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。如控制一台8极的永磁同步电动机电机，其参数为：额定功率2．2kW，额定转速3000r／min，额定电流5A，额定转矩5Nm，额定电压220V。电机分别在10rpm、200rpm、1000rpm、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时的起动一停止过程的转速曲线。图5所示的以2000rPm为例的起动一停止转速曲线。

　　图5

　　从图5所示的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，表明本系统构建合理，具有良好的动静态性能。
　　在本系统应用中，LA25-Np电流传感器能正确的测量电机电流，并转换成相应输出量，可使各方面性能指标都能满足本系统的要求。