機床交流伺服系統(tǒng)控制交流電動機時，要求測知交流電動機的三相電流。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 電動機電壓矢量合成圖
在任一時刻電動機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動力線相耦合，測得電動機的三相電流，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動力線纜對霍爾元件進行的穿繞，從而優(yōu)化了機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。
參考文獻
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