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伺服电机控制系统中电流采样三种方案的比较

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伺服电机控制系统中电流采样三种方案的比较莱姆电子（中国）有限公司罗 映 万超（华南理工大学 广东 广州 510640）摘 要： 伺服电机控制系统中，精确的电流采样是实现高性能闭环控制系统的关键。

本文针对电流检测常用的三种方案进行了实验和比较，获得了三种方案各自优势和缺点的清晰认识，这对基于不同的条件选择合适的电流检测方案提供了参考。

关键字： 电机控制 伺服系统 电流环 电流检测Comparison of the three schemes of current sampling in the controlling system of servo motorLUO Ying Wan Chao(South China university of technology, Guangzhou 510640 , China)Abstract: in the controlling system of servo motor, accurate current sampling is the key of realizing the high-powered close loop controlling system. In this paper, aim at three normal schemes of current sampling, do some experiments and compare the results, then obtain very clear cognition about the advantages and the faults of the schemes respectively, that can supply the reference for choosing proper scheme of current sampling in the base of different situation. Key words: motor controlling, servo system, the loop of current, current sampling 1 前言对于数字化伺服电机控制系统，转矩环的性能直接影响着系统的控制效果，电流采样的精度和实时性很大程度上决定了系统的动、静态性能，精确的电流检测是提高系统控制精度、稳定性和快速性的重要环节，也是实现高性能闭环控制系统的关键。

在伺服电机控制系统中，电流检测的方案有多种，常见的一种方案是使用霍耳传感器[1]，将电流信号经过电磁转换，变换为直流电压信号输出，然后，通过运放和比较器构成的处理电路处理后，输入到处理器；另一种方案是，取采样电阻两端的电压，经线性光藕或者隔离放大器进行信号隔离，调理后接A/D 转换器输入进行数字化，获取电流的采样值，而数字化的过程即可以利用处理器中的A/D 转换通道实现[3] [4]，也可以利用根据 原理实现的模拟量直接转换为数字量的隔离调制芯片来实现[2]。

本文通过对这三种方案分别进行电路设计和具体实验后所得结果的比较分析，对三种方案各自的特点有了清晰的认识，这有利于基于不同的条件选择合适的方案来提高伺服控制系统的整体性能。

2 伺服电机控制系统简介本系统采用交直交电压型变频电路，主电路由整流电路、滤波电路及智能功率模块IPM 逆变电路构成，控制部分以DSP 芯片TMS320LF2812为核心，CPLD 作为辅助处理模块，构成功能齐全的全数字矢量控制系统，系统结构如图1所示，从图1可以看出，本系统是一个有电流、转速和位置负反馈的三闭环系统，DSP负责采样各相电流，计算电机的转速和位置，最后运用矢量控制算法，得到电压矢量PWM控制信号，经过光藕隔离电路后，驱动逆变器功率开关器件；同时DSP还监控变频调速系统的运行状态，当系统出现短路、过流、过压、过热等故障时，DSP将封锁SVPWM信号，使电机停机，并通过LED显示。

CPLD模块负责对光栅尺反馈的位置信息和上位机发送脉冲形式指令信息进行滤波和计数，并将数据以总线方式传送给DSP；同时处理键盘输入和显示输出，以及开关量的输入输出。

伺服电机控制系统中电流采样的作用就是检测交流同步电动机的三相定子电流并转换成相应的信号输入到DSP中，再由DSP的AD模块转化成数字量进行处理。

因为本文研究的是三相平衡系统Ia＋Ib+Ic=0，因此只要检测其中的两路电流，就可以得到三相电流。

图1 全闭环立式加工中心的控制框图3 三种电流采样方案的分析与比较3.1 利用霍耳传感器采样电流3.3.1 LEM霍耳传感器介绍采用霍尔电流传感器（LEM模块）-- LA25-NP对电流进行检测。

霍尔器件根据磁补偿原理制作而成，它可传感从直流到数百千赫兹的信号。

它突出的特点是在整个工作区域内输出特性是线性的，功耗小，重量轻，温度稳定性好，测量频带宽，能测量各种波形的电流，而且电隔离，输出为电压信号或电流信号，精度普遍较高，因而使用极为方便可靠，是理想的电流传感器；但是成本较高。

3.2.1 电流采样电路设计电流采样电路如图2所示，由于TMS320F2812片内的ADC模块要求输入0～3V的单极信号，必须将LEM输出的小电流信号转换为电压信号，再经过放大滤波后输入DSP。

因此，设计了如图2所示的电路来进行信号的转换，图2中R1为霍尔传感器件所允许的负载电阻，考虑到霍尔器件的输出电流信号较弱，选用运放构成反相放大器，反相放大器式过采样SDAT变回高阻态，完成一次转换，转换时间Tc取决于所选的转换模式，最小为800nS。

.2.3 电流采样电路设计电流采样硬件电路如图5所示，R7_1为3m的采样电阻，取其两端的电压输入7860，MC7805给7860输入端提供稳定的5V电源，R9和C4构成RC低通滤波器，经过A/D 转换隔离调制输出频率为10MHZ的时钟脉冲和一位数据流，通过接口芯片0872的转换处理，输出CS、SDAT和SCLK三路信号，接入到DSP的SPI接口，读取15位的数字量。

3.2.4 电流采样实验波形当采样电阻两端为100mV输入，采样电阻精确度高、温漂小的条件下，输出的波形如图6所示。

隔离型A/D转换器能直接将模拟量转化为数字量输出，波形稳定，输入数字量偏差小，数据准确度较高。

3.3 利用采样电阻结合隔离调制芯片及放大处理电路采样电流3.3.1 7840芯片介绍[6]HCPL27840芯片是安捷伦公司的一款集成隔离放大器，它有优越的性能,像CMRR、失调电压、非线性度、工作温度范围和工作电压等都有严格的指标。

低失调电压和低失调温度系数允许自动校准技术的精确运用。

5%的增益容忍度和0.1%的线性度，为精确的负反馈和控制进一步提供性能需求。

较宽的温度范围允许HCPL7840被运用于各种恶劣的工作环境。

HCPL-7840包含有一个A/D转换器，同时还匹配有一个D/A转换器，工作原理如图7所示, 输入直流信号经过调制器送至编码器量化、编码，在时钟信号控制下，以数码串的形式传送到发光二极管，驱动发光二极管发光。

由于电流强度不同，发光强度也不同，在解调端有一个光电管会检测出这一变化，将接收到的光信号转换成电信号，然后送到解码器和D/A转换器还原成模拟信号，经滤波后输出。

干扰信号因电流微弱不足以驱动发光二极管发光，因而在解调端没有对应的电信号输出，从而被抑制掉。

所以在输出端得到的只是放大了的有效的直流信号。

3.3.2 电流采样电路设计电流采样电路如图8所示，Rsense为3m采样电阻，取其两端的电压输入7840，MC7805给7860输入端提供稳定的5V电源，R5和C3实现RC低通滤波，经过转换隔离调制输出差分电压信号，通过运放MC34081实现差分放大，由于TMS320LF2812的ADC模块要求输入0～3V的单极信号，所以在运放的正相端通过可调电阻接入1.5V的参考电压，即当输入电流为0时，运放输出的电压为1.5V，然后将单极电压信号接入DSP的A/D通道进行转换，获得电流采样值。

3.3.3 电流采样实验数据如表2所示，为电流采集实验数据，当采样电阻中通入电流，采样其两端的电压值，7840的差分输出电压值是输入电压的8倍，运放MC34081组成的差分放大电路的放大系数为5，所以运放输出的电压与参考电压的差值为实际电压值的40倍。

由表2中数据可以得出，与理论值相比较，相对误差小，说明当采样电阻精确度高、温漂小的条件下，采用光藕隔离放大芯片7840检测电流具有较高的准确度。

4 结论综上所述，采用霍尔电流传感器（LEM模块）采样电流，线性度好、功耗小，温度稳定性好，精度普遍较高，是较为理想的电流传感器，但是成本较高；HCPL-7860的隔离型A/D转换器能直接将模拟量转化为数字量输出，从而避免了某些场合下所需要附加的A/D转换器，可靠性高，抗干扰能力强；而采用HCPL-7840采样电流，同样具有较高的精度，且抗共模抑制比的能力较强，跟LEM模块比较，它更适合于电机电流的检测；后两种方案成本较低，具有很高的性价比，但是，这两种方案都需要精确度高、温漂小的四端采样电阻为条件，才能实现精确测量的目的，普通的两端采样电阻会极大影响采样的准确性，而且采样电阻的取值要考虑最小的功率损耗和最大的准确性的折中点，较难掌握。

所以，伺服电机控制系统中电流采集方案的选择。

参考文献[1] 赵文祥，刘国海基于DSP的全数字矢量SVPWM变频调速系统电机与控制学报2004.6[2] 张春李晓林基于HCPL-7860/70的隔离信号采集的设计应用能源技术2004.5[3] 赵云丽，欧阳斌林基于线性光电耦合器的电流检测电路东北农业大学学报2006.2[4] 姜久红朱若燕光耦隔离运放在电机电流采集中的应用微计算机信息2004.6[5] HCPL-7860/0872的技术手册[6] HCPL-7840的技术手册。

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伺服电机驱动方式比较与选择

伺服电机驱动方式比较与选择

伺服电机驱动方式比较与选择引言伺服电机在现代自动化控制系统中广泛应用，其中电机驱动方式的选择对系统性能和效率至关重要。

本文将比较和介绍几种常见的伺服电机驱动方式，并分析其特点和适用场景，帮助读者在实际应用中做出明智的选择。

一、步进电机驱动方式步进电机驱动方式是一种常见且经济实用的选择。

步进电机以脉冲信号驱动，将连续运动转化为离散步进运动。

以下是步进电机驱动方式的优缺点及其适用场景。

优点：1. 简单稳定：步进电机驱动方式结构简单，使用方便，具有较高的可靠性和稳定性。

它不需要反馈传感器，减少了系统的复杂性和成本。

2. 适用范围广：步进电机驱动方式适用于低速高扭矩的应用，如纺织机械、印刷机械等。

它的转矩-速度特性良好，可以实现精确的位置控制。

3. 价格经济：步进电机驱动方式相对其他驱动方式成本较低，更适用于预算有限的应用。

缺点：1. 运行效率低：步进电机驱动方式的效率相对较低，因为它在不实际运转时仍然消耗电能。

2. 振动和噪音：由于步进电机的离散步进运动特性，会引起振动和噪音，对一些对噪音敏感的应用不太适用。

二、直流无刷电机驱动方式直流无刷电机驱动方式是一种高效且灵活的选择，它结合了直流电机的优点和伺服系统的性能。

以下是直流无刷电机驱动方式的优缺点及其适用场景。

优点：1. 高效能：直流无刷电机驱动方式具有高效能，因为它没有机械摩擦，消耗电能较少。

它的高效能可以降低系统能源消耗，提高系统性能。

2. 高速运动：直流无刷电机驱动方式适用于高速运动的应用，如风扇、泵等。

它的转速范围广，转速可通过调节电流进行控制。

3. 可编程控制：直流无刷电机驱动方式具有灵活的控制，可以通过编程方式实现多种运动控制模式，适应不同应用场景的需求。

缺点：1. 系统复杂性：直流无刷电机驱动方式需要使用编码器等传感器进行位置反馈，以实现高精度的位置控制。

这增加了系统复杂性和成本。

2. 成本较高：相对步进电机驱动方式，直流无刷电机的成本较高，不太适合预算有限的应用。

电流采集方案

电流采集方案

电流采集方案在电子领域中，电流的采集是一个非常重要的任务。

电流采集方案的选择和设计直接影响到电子设备的性能和稳定性。

本文将从不同角度探讨电流采集方案，并介绍几种常见的电流采集方案。

电流采集是指测量电子设备中通过某一点的电流大小。

电流是电子设备中最常见的物理量之一，其大小和流动方向直接与设备的工作状态和性能相关。

因此，准确地采集和测量电流是电子设计和调试中的关键步骤。

一种常见的电流采集方案是使用电流传感器。

电流传感器可以将电流转换为电压信号，然后通过模数转换器（ADC）进行采样和数字化处理。

这种方案具有简单、可靠的特点，适用于大部分场景。

电流传感器的选择应根据需求考虑其灵敏度、响应时间、温漂等参数。

另一种常见的电流采集方案是使用霍尔效应传感器。

霍尔效应传感器基于霍尔效应原理，通过感应电流产生的磁场来测量电流大小。

相比于电流传感器，霍尔效应传感器无需直接接触电流，具有非接触式的优势，适用于高压、高温等特殊环境。

然而，霍尔效应传感器在高精度和高频率应用中可能存在一些限制。

此外，一些特殊的电流采集方案也被广泛应用于特定领域。

例如，在电动汽车中，为了测量电池组内部的电流分布情况，可以采用分流器方案。

分流器通过在电池组内不同位置引入电阻，将整体电流分流为多个小电流，然后采用传统的电流采集方案进行采集。

除了传感器和分流器，还有一些其他的电流采集方案。

例如，在电源管理电路中，可以使用差模放大器采集电流信号。

差模放大器将电流信号与参考电压进行比较，并输出相应的电压信号。

这种方案适用于对电流精度和幅度要求较高的场景。

总的来说，电流采集方案的选择应根据具体需求和应用场景来确定。

传感器、分流器、差模放大器等方案各有优劣，需要综合考虑其灵敏度、响应时间、温度稳定性、成本等因素。

在设计电流采集方案时，还需要注意电路布局、干扰抑制等技术细节，以确保采集到的电流数据准确可靠。

总之，电流采集方案的选择和设计对电子设备的性能和稳定性至关重要。

伺服的采样周期、循环时间、响应时间、响应频率和带宽

伺服的采样周期、循环时间、响应时间、响应频率和带宽

伺服的采样周期、循环时间、响应时间、响应频率和带宽伺服的采样周期：（对速度环、位置环⽽⾔，是对编码器采样，对电流环⽽⾔，是对霍尔元件或者电流互感器采样）、循环时间和响应时间均为伺服运动控制能⼒的指标。

伺服循环时间：指PID计算循环时间，也是伺服设定值循环时间。

此处伺服设定值指伺服通过采样，经过PID计算后给出的设定值，⽽不是指上位发给伺服的设定值，通常上位设定值周期⼤于伺服PID计算设定值周期。

通常⽽⾔，伺服采样周期＝伺服循环时间＝伺服设定值时间。

响应时间：⽐上述要⼤的多，响应时间指的是响应设定值的时间。

部分⼿册给出响应频率，响应频率＝1/响应周期。

频带宽度简称带宽，由系统频率响应特性来规定，反映伺服系统的跟踪的快速性。

带宽越⼤，快速性越好。

当伺服系统（通常以速度闭环来举例）速度环给定⼀个正弦波信号，则电机的速度也应以正弦规律变化。

保持给定正弦波的幅值，逐渐提⾼正弦波的频率，电机速度的变化也会加⾼频率。

当给定频率提⾼到⼀定程度，通常是⼏⼗赫兹时，响应正弦波的相位发⽣滞后，幅度下降3db，这⼀点的给定频率就是响应带宽，这是伺服的⼀个重要指标，它表征系统的响应速度、抗扰动的能⼒，也极⼤地影响静态指标。

电流环频宽就是在电流环输⼊正弦波给定，增加频率直到输出幅值减少3分贝，这时的频率就是电流环带宽。

电流环带宽⼀定⽐速度环要⾼。

在⽹上查的数据，拿到样本后会更新。

伦茨伺服有如下数据： 转矩环循环周期：62.5us，动态响应时间1ms 速度环循环周期：250us，动态响应时间6-20ms/1000rpm 位置环循环周期：250us包⽶勒伺服有如下数据： 转矩环循环周期：125us， 速度环循环周期：125us， 位置环循环周期：125us，未给出动态响应时间。

安川伺服：速度响应特性为400Hz，这个概念值指在电机转⼦惯量和负载惯量相同的条件下，速度达到稳态后（⼀般测试为额定速度）对电机速度加⼊扰动值使之偏离稳态值10%（这个百分⽐记不⼤清了），扰动撤消后系统⾃动恢复到设定值（也就是额定值）的时间长短，400HZ意味着每秒能做400次，单次响应时间就是为2.5ms。

伺服电机速度环、位置环、扭矩环的控制原理

伺服电机速度环、位置环、扭矩环的控制原理

运动伺服一般都是三环控制系统，从内到外依次是电流环、速度环、位置环。

1、电流环：电流环的输入是速度环PID调节后的那个输出，电流环的输入值和电流环的反馈值进行比较后的差值在电流环内做PID调节输出给电机，“电流环的输出”就是电机的每相的相电流，“电流环的反馈”不是编码器的反馈而是在驱动器内部安装在每相的霍尔元件（磁场感应变为电流电压信号）反馈给电流环的。

电流环就是控制电机转矩的，所以在转矩模式下驱动器的运算最小，动态响应最快。

任何模式都必须使用电流环，电流环是控制的根本，在系统进行速度和位置控制的同时系统也在进行电流/转矩的控制以达到对速度和位置的相应控制。

2、速度环：速度环的输入就是位置环PID调节后的输出以及位置设定的前馈值，速度环输入值和速度环反馈值进行比较后的差值在速度环做PID调节（主要是比例增益和积分处理）后输出到电流环。

速度环的反馈来自于编码器的反馈后的值经过“速度运算器”得到的。

速度环控制包含了速度环和电流环。

3、位置环：位置环的输入就是外部的脉冲，外部的脉冲经过平滑滤波处理和电子齿轮计算后作为“位置环的设定”，位置环输入值和来自编码器反馈的脉冲信号经过偏差计数器的计算后的数值在经过位置环的PID调节（比例增益调节，无积分微分调节）后输出和位置给定的前馈值的和构成速度环的给定。

位置环的反馈也来自于编码器。

位置控制模式下系统进行了3个环的运算，系统运算量大，动态响应速度最慢。

编码器安装于伺服电机尾部，它和电流环没有任何联系，他采样来自于电机的转动而不是电机电流，和电流环的输入、输出、反馈没有任何联系。

而电流环是在驱动器内部形成的，即使没有电机，只要在每相上安装模拟负载（例如电灯泡）电流环就能形成反馈工作。

三种控制模式位置控制：通过外部输入的脉冲的频率来确定转动速度的大小，通过脉冲的数量来确定转动的角度，也有些伺服可以通过通讯方式直接对速度和位移进行赋值。

由于位置模式可以对速度和位置都有很严格的控制，所以一般应用于定位装置。