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无霍尔元件电流传感器数字交流伺服系统设计研究

供稿:中国工控网 2016/3/8 9:10:53

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  • 关键词: 无霍尔元件 电流传感器 交流伺服系统
  • 摘要:机床交流伺服系统控制交流电动机时,要求测知交流电动机的三相电流。一般的方法是通过电流传感器直接测得三相电流,基于电机绕组的联接方式,要求至少需要2个电流传感器,常用的电流传感器为霍尔元件。通常这类传感器制作复杂、价格昂贵,体积较大;在进行电流采样时,要求两路A/D转换,而且严格要求同步转换。本文提出了一种新型无霍尔元件电流传感器伺服系统的设计方法,可以通过1个简单、便宜的电阻测得交流电动机三相电流,降低了伺服系统的成本,优化了伺服系统的结构。

     

机床交流伺服系统控制交流电动机时,要求测知交流电动机的三相电流。一般的方法是通过电流传感器直接测得三相电流,基于电机绕组的联接方式,要求至少需要2个电流传感器,常用的电流传感器为霍尔元件。通常这类传感器制作复杂、价格昂贵,体积较大;在进行电流采样时,要求两路a/d转换,而且严格要求同步转换。本文提出了一种新型无霍尔元件电流传感器伺服系统的设计方法,可以通过1个简单、便宜的电阻测得交流电动机三相电流,降低了伺服系统的成本,优化了伺服系统的结构。

一、无霍尔电流传感器时电流检测方法原理

定义1个开关量sa,当a相上臂的功率三极管导通时,令sa=1;而a相下臂的功率三极管导通时,令sa=0。同理,对b和c相进行定义。在直流母线上串接一个电阻,基于开关状态的定子电流可表示如下:

idc = ia when (sa, sb, sc) = (1,0,0)

idc=-ia when (sa, sb, sc)=(0,1,1)

idc=ib when (sa, sb, sc)=(0,1,0)

idc=-ib when (sa, sb, sc)=(1,0,1)

idc=ic when (sa, sb, sc)=(0,0,1)

idc=-ic when (sa, sb, sc)=(1,1,0)

idc=0 when (sa, sb, sc)=(1,1,1)

idc=0 when (sa, sb, sc)=(0,0,0)

图1给出了一个开关状态的举例:

when (sa, sb, sc)= (0,1,1),idc=-ia

                                  图1 直流侧单电阻电流检测原理图

基于上面的图示,相电流(ia)为直流母线电流,三相电流都能在直流母线上测量到,但测量不同的相电流时,(sa, sb, sc)不同。数字交流伺服中无霍尔电流传感器时电流检测的实现方法。本文所设计的无霍尔元件电流传感器数字交流伺服系统,控制器采用美国德州仪器公司的dsp(数字信号处理器) tms320f240。tms320f240是采用空间矢量法生成pwm,在生成pwm时,在任意时刻电动机电压向量都落在六个区中的一个,如图2所示:

                                      图2 电动机电压矢量合成图

在任一时刻电动机电压向量都可通过相邻的基本空间向量上的两个向量元素表示出来:                                         

                    t0=tp-t1-t2

uout是任一时刻的电动机电压矢量

tp是pwm载波的周期

t1和t2分别对应于ux和ux+60的开关模式。零向量用来平衡三极管的开关周期。如图3所示,在基于dsp的数字交流伺服系统中,进行电流检测时,可以在一个pwm周期中,定义t1为一个pwm周期中先出现的电压向量持续时间, t2后出现的电压向量持续时间。

                                 图3 空间矢量pwm周期t1及t2作用图

在对称pwm调制方式中,前半周期里依次是矢量状态(0,0,0),矢量状态(0,0,1)矢量状态(1,0,1),矢量状态(1,1,1),后半周期包括同样的矢量状态队列,只是顺序相反。分别在t1、t2时期内进行电流测量,就会得到两相电流值,第三相电流由等式:ia+ib+ic=0可得。上面例子中,在t1时矢量状态为(0,0,1),于是测得相电流是:ic=idc。

二、无霍尔元件电流传感器数字交流伺服系统的设计

交流伺服系统的设计中,要随时检测电动机的三相电流,通常的方法是用霍尔元件电流传感器与电动机动力线相耦合,测得电动机的三相电流,这样伺服系统的结构往往非常复杂,而且成本高。

无霍尔元件电流传感器数字交流伺服系统的结构如图4所示。

                    图4 无霍尔元件电流传感器数字交流伺服系统结构图

在进行电流检测时,将一个采样电阻串接在直流母线上,则逆变器流出的电流都要通过它。用一个运算放大器采集电阻两端的电压,其输出作为dsp模/数转换器的输入,范围在0~5v。对电流采样电阻的要求首先是低功耗,其次是采集电压值适应合理的模/数转换器采样增益。

结语

与其它传统交流电动机数字交流伺服系统相比较,本文提出无霍尔元件电流传感器数字交流伺服系统,电流检测方便,成本降低;该伺服系统避免了为检测电流而使电动机动力线缆对霍尔元件进行的穿绕,从而优化了机床位置及速度交流伺服系统的结构。该数字交流伺服系统设计方法还可用于交流主轴驱动系统及变频器系统,该设计方法有着非常好的应用前景。

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