伺服驱动器中电流采样电路设计

在伺服驱动控制系统中，为实现磁场定向控制，需要至少对两相电机绕组的电流进行采样，这两路电流采样将作为电流反馈信号使伺服驱动实现电流闭环，可以这样说，电流信号采样是伺服控制系统硬件的一个重要模块，也是一大难点。

　　常规电流采样电路设计

　　如今，大多数伺服驱动使用采样电阻和线性光耦搭建的一路电流采样电路，如图1所示。

　　其中，rsense是功率型采样电阻，mc34081为运算放大器，78l05为三端稳压电源。hcpl-7840为线性光耦，其2,3引脚为信号输入端，6,7引脚为信号输出端，在输入端输出端供电电压均为5v的情况下，当2,3引脚输入的差值电压变化时，6,7引脚的输出信号将随着输入信号分别进行递增和递减的线性变化。

　　由图1所示可知，当伺服电机正常工作时，将采集通过绕组的电流信号转变为采集采样电阻两端电压值，并将该电压值通过线性光耦进行隔离放大，再经过运算放大器，a/d转换送给dsp进行数据分析，进而实现电流环闭环控制。在实际实验过程中，由于伺服电机等外界条件干扰，dsp所接收到的电流采样信号会有相对较大程度的干扰，故必须在电路中增加相应的滤波措施。

　　新型电流采样电路设计

　　采用采样电阻和线性光耦搭建的采样电路均为模拟电路，很容易受到外界的干扰，在电路调试过程中，滤除杂波尤为繁琐。为使得电流采样信号更精确，使电流环闭环效果更好，我们又设计了一种采用高压线性电流传感器ir2175来实现电流采样的方案，并做对比实验。

　　芯片概述

　　ir2175是ir公司专为交流或直流无刷电机的驱动应用而设计的高压线性电流传感器，它内置电流检测和保护电路，可通过串联在绕组回路的采样电阻来进行电流采样，并且该芯片能自动将输入的模拟信号转换成数字pwm信号并可以直接送于处理器进行数据处理[2]。

电路设计

　　如图2电路图可知，r2和r3为采样电阻，q1～q6为igbt，d2～d4和d6～d7为快恢复二极管。ir2175芯片的vcc为供电引脚，接+15v。po是开漏的pwm输出脚，在本次实验过程中，将po端直接与dsp相连，故在接口电路部分需接一个上拉电阻上拉到3.3v。com为接地端，为过流信号输出端，v+为采样电压正向输入端，vb与vs为高端浮置电源电压端，vbs为一个在vs的电压峰值上面浮动的电源，所以在该电路中，我们使用d1二极管管和c1电容器组成一个自举电源[3]。它的工作原理是：当vs通过低端igbt下拉到地时，自举电容c1便通过自举二极管d1用+15v的vcc电源进行充电，从而提供了电源vbs。当vs通过高端开关被拉到最高电压时，vbs是浮动的，此时自举二极管被反向偏置，从而阻断了充电回路[2]。二极管选择恢复时间小于100ns的快恢复二极管。vs管脚和半桥输出之间的电阻r1应在10～20ω的范围内。

　　

 

　　图1 基于采样电阻与线性光耦的电流采样电路[1]

　　

 

　　图2 基于ir2175的采样电路

　　实验结果

　　在本次实验中，我们利用ccs软件将dsp接收到的电流采样信号在dq坐标中显示成直观的波形曲线进行对比分析。

　　在用新型电流采样电路设计中，当伺服电机正常工作时，ir2175的输入为正弦电压信号，po端口输出频率为130khz、占空比随电流大小变化的pwm信号(如图3，4，5)，其占空比范围为9%～91%。当采样电阻上的压降为0时，输出信号的占空比为50%(如图3所示);当输入电压的变化范围为-260mv～+260mv时，对应于输出电压的变化范围为9%～91%。当采样电阻上的压降大于260mv时，输出信号的占空比保持最大值91%(如图4所示);输入小于-260mv时，输出占空比保持最小值9%(如图5所示)。当采样电阻上的压降超过-260mv～+260mv时，ir2175的端输出一个典型值为2μs的低电平有效的过流信号。

　　通过对图3，4，5的观察分析，可知，通过ir2175输出的pwm波形稳定且干扰信号较少，传送给dsp的采样数据相对较为精确。

　　

 

　　图3 输入为0时，输出占空比50%

　　

 

　　图4 输入最大260mv，输出占空比91%

　　

 

　　图5 输入最小-260mv，输出占空比9%

现将两种电流采样方案在软件程序及调试参数均相同的情况下采集到的电流信号波形进行对比，如图6图7所示。

　　

 

　　图6 常规电流采样波形图

　　

 

　　图7 新型电流采样波形图

　　用常规电流采样电路设计所得到的两路采样信号波形曲线如图6所示，可以看出其为正弦波形，因该波形仍然存在一部分毛刺，故波形不圆滑，因此我们在此基础上加入软件滤波，成功实现电流闭环控制。经反复实验验证，电机运转平稳，可以实现电流闭环。

　　用新型电流采样电路设计所得到的两路采样信号波形曲线如图7所示，其波形十分平滑，可以不加任何处理直接用作电流环闭环。

　　以上两种电流采样电路均可以实现电流环闭环，但通过图6和图7的实验波形图可以发现，当使用采样电阻与线性光耦组成的电流采样电路时，易受到外界干扰，需要增加较多的滤波电路并进行大量的调试，且所得的波形不平滑。而使用ir2175组成的采样电路时，可以大大简化接口电路，又因为其输出信号为数字信号，可较大程度上减小外界干扰对其造成的影响，较之前一种设计电路更方便，稳定，闭环效果更好。

　　结束语

　　通过本次实验，可以发现使用电流传感器芯片可以很方便的解决伺服驱动器的电流采集，并且采集到的信号较为精确，但是在pcb设计时仍要重视高压与低压信号的隔离，并应增加适当的保护电路及滤波电路。