機(jī)床交流伺服系統(tǒng)控制交流電動機(jī)時，要求測知交流電動機(jī)的三相電流。一般的方法是通過電流傳感器直接測得三相電流，基于電機(jī)繞組的聯(lián)接方式，要求至少需要2 個電流傳感器，常用的電流傳感器為霍爾元件。通常這類傳感器制作復(fù)雜、價格昂貴，體積較大;在進(jìn)行電流采樣時，要求兩路a/d轉(zhuǎn)換,而且嚴(yán)格要求同步轉(zhuǎn)換。本文提出了一種新型無霍爾元件電流傳感器伺服系統(tǒng)的設(shè)計方法，可以通過1個簡單、便宜的電阻測得交流電動機(jī)三相電流，降低了伺服系統(tǒng)的成本，優(yōu)化了伺服系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)。
無霍爾電流傳感器時電流檢測方法原理
定義1個開關(guān)量sa，當(dāng)a相上臂的功率三極管導(dǎo)通時，令sa=1;而a相下臂的功率三極管導(dǎo)通時，令sa=0。同理，對b和c相進(jìn)行定義。在直流母線上串接一個電阻，基于開關(guān)狀態(tài)的定子電流可表示如下:
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）
圖1給出了一個開關(guān)狀態(tài)的舉例:
when （sa, sb, sc）= （0,1,1）,idc=-ia
圖1 直流側(cè)單電阻電流檢測原理圖
基于上面的圖示，相電流（ia）為直流母線電流，三相電流都能在直流母線上測量到，但測量不同的相電流時，（sa, sb, sc）不同。數(shù)字交流伺服中無霍爾電流傳感器時電流檢測的實現(xiàn)方法。本文所設(shè)計的無霍爾元件電流傳感器數(shù)字交流伺服系統(tǒng)，控制器采用美國德州儀器公司的dsp（數(shù)字信號處理器） tms320f240。tms320f240是采用空間矢量法生成pwm，在生成pwm時，在任意時刻電動機(jī)電壓向量都落在六個區(qū)中的一個，如圖2所示:
圖2 電動機(jī)電壓矢量合成圖
在任一時刻電動機(jī)電壓向量都可通過相鄰的基本空間向量上的兩個向量元素表示出來:
t0＝tp－t1－t2
uout是任一時刻的電動機(jī)電壓矢量
tp是pwm載波的周期
t1和t2分別對應(yīng)于ux和ux＋60的開關(guān)模式。零向量用來平衡三極管的開關(guān)周期。
如圖3所示，在基于dsp的數(shù)字交流伺服系統(tǒng)中，進(jìn)行電流檢測時，可以在一個pwm周期中,定義t1為一個pwm周期中先出現(xiàn)的電壓向量持續(xù)時間, t2后出現(xiàn)的電壓向量持續(xù)時間。
圖3 空間矢量pwm周期t1及t2作用圖
在對稱pwm調(diào)制方式中，前半周期里依次是矢量狀態(tài)（0，0，0），矢量狀態(tài)（0，0，1）矢量狀態(tài)（1，0，1），矢量狀態(tài)（1，1，1），后半周期包括同樣的矢量狀態(tài)隊列，只是順序相反。分別在t1、t2時期內(nèi)進(jìn)行電流測量，就會得到兩相電流值，第三相電流由等式:ia+ib+ic=0可得。上面例子中，在t1時矢量狀態(tài)為（0，0，1），于是測得相電流是:ic=idc。
無霍爾元件電流傳感器數(shù)字交流伺服系統(tǒng)的設(shè)計
交流伺服系統(tǒng)的設(shè)計中，要隨時檢測電動機(jī)的三相電流，通常的方法是用霍爾元件電流傳感器與電動機(jī)動力線相耦合，測得電動機(jī)的三相電流，這樣伺服系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)往往非常復(fù)雜，而且成本高。
無霍爾元件電流傳感器數(shù)字交流伺服系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖4所示。
圖4 無霍爾元件電流傳感器數(shù)字交流伺服系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖
在進(jìn)行電流檢測時，將一個采樣電阻串接在直流母線上，則逆變器流出的電流都要通過它。用一個運(yùn)算放大器采集電阻兩端的電壓，其輸出作為dsp 模/數(shù)轉(zhuǎn)換器的輸入，范圍在0～5v。對電流采樣電阻的要求首先是低功耗，其次是采集電壓值適應(yīng)合理的模/數(shù)轉(zhuǎn)換器采樣增益。
結(jié)語
與其它傳統(tǒng)交流電動機(jī)數(shù)字交流伺服系統(tǒng)相比較，本文提出無霍爾元件電流傳感器數(shù)字交流伺服系統(tǒng)，電流檢測方便，成本降低;該伺服系統(tǒng)避免了為檢測電流而使電動機(jī)動力線纜對霍爾元件進(jìn)行的穿繞，從而優(yōu)化了機(jī)床位置及速度交流伺服系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)。該數(shù)字交流伺服系統(tǒng)設(shè)計方法還可用于交流主軸驅(qū)動系統(tǒng)及變頻器系統(tǒng)，該設(shè)計方法有著非常好的應(yīng)用前景。
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