数字伺服中的电流传感和检测技术[原创]-专业自动化论坛-中国工控网论坛

数字伺服中的电流传感和检测技术[原创] 点击：1431 | 回复：14

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发表于：2008-02-02 14:23:00

楼主

    电流传感和检测环节是实时检测伺服电机绕组电流，为伺服控制的电流闭环调节和矢量控制提供快速而准确的电流信息的感知和量化通道，一般可以分为前级电流传感和后级量化处理两部分。
    前级电流传感的取样点一般设在电压型三相逆变桥每个桥臂的上下功率管中心引出点到电机绕组电缆的端接点之间，以便于尽可能不受或少受功率逆变桥功率元件开关和续流操作的影响，连续测量流经电机绕组的电流大小，后级量化电路原则上可以随时进行电流采样，只不过这样做会对电流取样环节的绝缘耐压以及抗共模噪声能力，或者在隔离供电等方面提出较高要求。在一些低端应用中，也有将取样点设在电压型三相逆变桥每个桥臂对直流母线地的连接线上，这样做的主要好处是取样点不受高压共模干扰的影响，无需高压隔离供电，因而简化了供电要求，缺点是由于功率逆变桥功率元件的开关和续流操作，会造成检测电流的断续，甚至反向，因而无法连续反映流经绕组电流的实际情况，给后级量化电路的采样时机带来一定的限制和影响。目前在伺服技术中主要应用的前级电流传感技术包括采用Hall效应的电流传感器隔离式检测，以及采用分流电阻的非隔离式检测。
    采用Hall效应的电流传感器进行驱动电流检测属于隔离式检测技术，包括磁平衡式Hall电流传感器和直接测量式Hall电流传感器。磁平衡式Hall电流传感器具有响应速度快（<1uS），频响高（>100~200KHz），线性度较好（优于1％），初始误差和偏置较小等优点；有±12～15V双极性供电的电流输出型和5V单极性供电的电压输出型2类；主流国际厂家包括瑞士的LEM公司和美国的Honeywell公司，国内厂商中南京中旭的实力较为突出。直接测量式Hall电流传感器频带低（20～50KHz），线性度不高而且初始误差和偏置较大；一般多为单极性供电；主流厂家包括瑞士的LEM公司、日本三肯旗下的Allegro公司、日本田村（Tamura）公司等。
    采用分流电阻进行驱动电流检测属于非隔离式检测，需要实际测量驱动电流流经分流电阻时产生的微小压降，因此对分流电阻的精度，精度匹配度，功耗和温度漂移等都有较高的要求，mΩ级精密分流检测电阻的最知名制造商为德国Vishay公司。另外，该法案对微小压降的后级检测电路的灵敏度，噪声抑制能力，以及对高共模电压的耐受能力和高压隔离能力等都有较高要求。
    在交流伺服中，由于伺服电机的三相绕组一般为星形（Y）接法，因而只需要对2相电流进行采样，第3相电流可以通过简单的计算获得。电流采样环节的后级信号量化处理部分主要由具有多通道同步采样能力的A/D电路构成。对于一般的伺服应用而言，A/D电路可以直接使用目前市面上广泛采用的众多专门为电机驱动设计的DSP或MCU中片内集成的多通道A/D，这类A/D一般都有两组同步采样保持电路，每组对应多个复用的模拟输入通道，不过这类A/D的采样分辨率和实际精度一般都不高，一般为10位或者12位分辨率，实际精度则通常只能达到8到10位多一点。要想获得更好的电流A/D量化能力，则需要采用在片外添加单独的高分辨率高精度多通道同步采样A/D，比如16位，14位，或者12位的4通道或6通道同步采样A/D，采样率一般需高于250KHz，不过也无需高于1～2MHz。需要注意的是，由于前级电流传感环节的测量线性度一般不会高于0.1％，因此后级信号量化电路的采样分辨率是否有必要很高，也是业内一直不够明确的一件事情，通常认为，一个具有12位精度的A/D已经足以胜任0.1％线性度的双向电流检测了。
    对于前级电流传感环节采用Hall电流传感器的应用，后级信号量化电路相对简单，可以把检测到的模拟电压信号进行必要的幅值和零点调理之后，直接送入多通道同步采样A/D。
    而对于前级电流传感环节采用分流电阻方案的应用，后级信号量化电路要显得相对复杂一些，需要将m级精密分流检测电阻上的微小电压信号从很高的共模噪声中分离出来，经放大或直接量化后，进行隔离传输，目前常用的技术是通过Σ-Δ转换，将高压浮地端的电阻采样信号处理并量化为高信噪比的曼彻斯特码位流，然后通过光耦或者磁耦合电路隔离传输至低压信号端，同时实现信号量化采集和电气隔离传输，常用的芯片包括美国Avago公司的7800光电隔离放大器和7860光电隔离Σ-Δ调制器，以及近几年问世的美国ADI公司的7400磁耦合隔离的Σ-Δ调制器。7860和7400隔离输出的都是反映0～±200mV电阻采样信号的曼彻斯特码位流，需要以额外的高阶数字滤波器进行滤波以获取分辨率高达16位的量化电流采样值，因此在低压信号端，只需要进行数字滤波逻辑的处理，无需模拟电路。另外，7800的内部其实也是通过光电隔离型Σ-Δ调制器实现前级信号的量化采集和电气隔离传输，只不过在光耦后级又集成了数字滤波器和模拟放大器，在片上实现了曼彻斯特码位流的滤波解码和模拟信号重构，因此输出的是0.5～4.5V的模拟信号，需要进一步送入多通道同步采样A/D再次进行信号采样和量化，这一点类似于采用Hall电流传感器的应用情况，都需要在低压信号端处理模拟信号。

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