CN103457536B - 基于电流检测和位置反馈结构的交流伺服驱动器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于电流检测和位置反馈结构的交流伺服驱动器，包括：交流电源输出的电源通过整流电路整流后并通过功率逆变器进行变频变压转换成电机的工作电压；电流检测单元采集电机的工作电流信号并传输至微处理器;编码器为增量式编码器和/或绝对式编码器，设置于电机的动力输出端以获取电机转子的位置信号并传输至位置反馈单元，且位置反馈单元根据可编程逻辑控制单元的设置来选择位置反馈采用增量式编码器或绝对式编码器，并将相应的位置信号通过可编程逻辑控制单元传输至微处理器；微处理器根据反馈的电流信号及位置信号计算电机转子的位置和当前速度，实现电流环/速度环/位置环的控制，并输出相应的PWM信号到PWM脉宽调制单元，然后通过光耦驱动单元送至功率逆变器以调制电机的工作电压。

Description

基于电流检测和位置反馈结构的交流伺服驱动器

技术领域

本发明涉及伺服系统，尤其涉及一种基于电流检测和位置反馈结构的交流伺服驱动器。

背景技术

以永磁交流伺服电动机作为执行元件的交流伺服系统已成为电伺服系统的主流，它具有优良的动态品质和较高的可靠性。随着新型电力电子器件及大规模专用集成电路的飞速发展，驱动器已由模拟控制发展到数字控制和计算机控制，系统功能愈来愈强，结构日益简化。

在对交流伺服电机的控制过程中，包括控制电机的位置、转速、转矩，相关运动控制以及人机界面在内的控制算法都在高性能微处理器里完成，电流检测和电机位置检测是所有控制算法的基础，是设计高性能伺服驱动器的前提条件，现有的交流伺服驱动器还有进一步优化的余地。

因此，有必要对交流伺服驱动器的电流检测和位置反馈结构进行改进，以提升交流伺服驱动器的性能。

发明内容

本发明的目的提供一种基于电流检测和位置反馈结构的交流伺服驱动器，响应快速、性能稳定、定位精准，可对电机的速度和位置进行精确控制，从而提高工作性能。

为实现上述目的，本发明提供了一种基于电流检测和位置反馈结构的交流伺服驱动器，包括交流电源、整流电路、功率逆变器、电机、电流检测单元、编码器、位置反馈单元、可编程逻辑控制单元、微处理器、PWM脉宽调制单元和光耦驱动单元，交流电源输出的电源通过整流电路整流后并通过功率逆变器进行变频变压转换成电机的工作电压；电流检测单元采集电机的工作电流信号并传输至微处理器; 编码器为增量式编码器和/或绝对式编码器，设置于电机的动力输出端以获取电机转子的位置信号，且位置反馈单元根据可编程逻辑控制单元的设置来选择位置反馈采用增量式编码器或绝对式编码器，并将相应的位置信号通过可编程逻辑控制单元传输至微处理器；微处理器根据反馈的电流信号及位置信号计算电机转子的位置和当前速度，实现电流环/速度环/位置环的控制，并输出相应的PWM信号到PWM脉宽调制单元，然后通过光耦驱动单元送至功率逆变器以调制电机的工作电压。

作为上述技术方案的改进，微处理器包括电流信号接收单元、位置信号接收单元、电流环/速度环/位置环的控制电路和PWM信号输出单元，所述电流信号接收单元与电流检测单元连接以接收电流信号，所述位置信号接收单元与可编程逻辑控制单元连接以接收位置信号，所述电流环/速度环/位置环的控制电路根据所述电流信号和位置信号计算出电机转子的位置和当前速度，从而生成相应的PWM信号，并通过所述PWM信号输出单元发送给所述PWM脉宽调制单元。

作为上述技术方案的改进，所述微处理器的处理过程如下：

接收输入的电流信号和位置信号；

对所述电流信号进行极性判断，同时将所述位置信号转换成对应的速度信号；

将经过极性判断处理后获得的电流信号进行Park变换，然后进行PI调节，生成对应的电压信号；

根据速度信号和电流信号生成电压补偿信号；

将电压信号和电压补偿信号叠加生成对应PWM信号。

作为上述技术方案的改进，所述电流检测单元包括依次连接的用于检测电机相电流的采样电阻、线性光耦合器、运算放大器、模数转换单元及数字信号处理器，所述的数字信号处理器设有温度补偿单元及与温度补偿单元相连的电流计算单元；所述的采样电阻表面设有一温度传感器，温度传感器经模数转换单元与温度补偿单元相连，温度补偿单元接收温度信号补偿采样电阻的电阻值以消除温度对采样电阻的阻值的影响；采样电阻的电压信息通过线性光耦合器、运算放大器及模数转换单元与电流计算单元相连，电流计算单元根据采样电阻的电压信息及补偿后的采样电阻的电阻值计算电机相电流。

作为上述技术方案的改进，所述电流检测单元采用磁场平衡式霍尔电流检测器进行电流信号检测。

作为上述技术方案的改进，所述电流检测单元采用电流互感器进行电流信号检测。

作为上述技术方案的改进，所述位置反馈单元包括编码器接口、增量式编码器接口管理电路、绝对式编码器接口管理电路、差分接收检测电路，增量式编码器接口通过差分接收检测电路与逻辑控制电路相连接，绝对式编码器接口通过差分接口芯片与逻辑控制电路相连接，编码器接口外接编码器，并通过可编程逻辑控制单元的设置来选择位置反馈采用增量式编码器或者绝对式编码器。

作为上述技术方案的改进，所述电机为交流感应伺服电机。

与现有技术相比，本发明的基于电流检测和位置反馈结构的交流伺服驱动器具有如下有益效果：

利用电流检测单元和位置反馈单元来实时检测和反馈电机的电流和位置信息，可对电机的速度和位置进行精确控制，从而提高工作性能，且响应快速、性能稳定、定位精准；另外，通过位置反馈单元可以兼容至少两种形式的位置反馈，克服了现有伺服控制系统中驱动器只能支持一种形式的编码器的缺点，其使用方便，成本也较低。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明基于电流检测和位置反馈结构的交流伺服驱动器的结构示意图；

图2是图1所示基于电流检测和位置反馈结构的交流伺服驱动器的微处理器的结构示意图；

图3是图1所示基于电流检测和位置反馈结构的交流伺服驱动器的电流检测单元的实施例1的电路图；

图4是图1所示基于电流检测和位置反馈结构的交流伺服驱动器的电流检测单元的实施例2的电路图；

图5是图1所示基于电流检测和位置反馈结构的交流伺服驱动器的电流检测单元的实施例3的电路图；

图6是图1所示基于电流检测和位置反馈结构的交流伺服驱动器的位置反馈单元的结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

参考图1，本发明基于电流检测和位置反馈结构的交流伺服驱动器包括交流电源1、整流电路2、功率逆变器3、电机4、电流检测单元5、编码器6、位置反馈单元7、可编程逻辑控制单元8、微处理器9、PWM脉宽调制单元10和光耦驱动单元11，交流电源1输出的电源通过整流电路2整流后并通过功率逆变器3进行变频变压转换成电机4的工作电压；电流检测单元5采集电机4的工作电流信号并传输至微处理器9; 编码器6为增量式编码器和/或绝对式编码器，设置于电机4的动力输出端以获取电机转子的位置信号并传输至位置反馈单元7，且位置反馈单元7根据可编程逻辑控制单元8的设置来选择位置反馈采用增量式编码器或绝对式编码器，并将相应的位置信号通过可编程逻辑控制单元8传输至微处理器9；微处理器9根据反馈的电流信号及位置信号计算电机转子的位置和当前速度，实现电流环/速度环/位置环的控制，并输出相应的PWM信号到PWM脉宽调制单元10，然后通过光耦驱动单元11送至功率逆变器3以调制电机的工作电压。

其中，所述电机4为交流感应伺服电机。

其中，功率逆变器3的功能是将电源单元提供的高压直流电转变为伺服电机定子绕组中的三相交流电流，以产生所需电磁力矩。这部分可以采用集驱动电路、保护电路和功率管于一体的智能功率模块(ipm)。ipm实现了功率管的优化驱动和就地保护，提高了功率逆变器的性能。

微处理器9是伺服系统的核心部分，三环系统构成、电机控制算法实现、系统调节器计算和脉宽调制波的发出都由微处理器9完成。参考图2，所述微处理器9包括电流信号接收单元91、位置信号接收单元92、电流环/速度环/位置环的控制电路93和PWM信号输出单元94，所述电流信号接收单元91与电流检测单元5连接以接收电流信号，所述位置信号接收单元92与可编程逻辑控制单元8连接以接收位置信号，所述电流环/速度环/位置环的控制电路93分别与所述电流信号接收单元91、位置信号接收单元92连接，并根据接收到的所述电流信号和位置信号计算出电机转子的位置和当前速度，从而生成相应的PWM信号，并通过所述PWM信号输出单元94发送给所述PWM脉宽调制单元10。

其中，微处理器9的处理过程如下：

接收输入的电流信号和位置信号；

对所述电流信号进行极性判断，同时将所述位置信号转换成对应的速度信号；

将经过极性判断处理后获得的电流信号进行Park变换，然后进行PI调节，生成对应的电压信号；

根据速度信号和电流信号生成电压补偿信号；

将电压信号和电压补偿信号叠加生成对应PWM信号，并将PWM信号输出。

在交流伺服系统中，微处理器9需要及时、准确地知道电机定子相电流的实际大小，以实现电流控制和电流保护。因此电流采样检测必须实时可靠。本发明的电流检测单元可采用三种不同的方式进行，分别是电阻采样、采用磁场平衡式霍尔电流检测器(LEM模块)和采用电流互感器，下面详细描述。

参考图3，是本发明基于电流检测和位置反馈结构的交流伺服驱动器的电流检测单元的实施例1的电路图。该电流检测单元利用电阻采样，具体的，包括依次连接的用十检测电机相电流的采样电阻R1、线性光耦合器U1、运算放大器20及DSP数字信号处理器30，数字信号处理器30设有模数转换单元31,温度补偿单元32及与温度补偿单元32相连的电流计算单元33；采样电阻R1表面设有一温度传感器40,温度传感器40经模数转换单元31与数字信号处理器30的温度补偿单元32相连，温度补偿单元32接收温度信号补偿采样电阻R1电阻值以消除温度对采样电阻R1的阻值的影响；采样电阻R1的电压信息通过线性光耦合器U1、运算放大器2及模数转换单元31与电流计算单元33相连，电流计算单元33根据采样电阻R1的电压信息及补偿后的采样电阻R1值计算电机相电流。

其中采样电阻R1串接在伺服电机4的相线中。采样电阻R1与伺服电机4相连的一端与线性光耦合器U1的2号脚连接，其间设置了限流电阻R2；采样电阻R1的另一端则与线性光耦合器U1的3号脚相连；线性光耦合器U1的2号,3号脚之间设置有滤波电容的C2，线性光耦合器U1的6号,7号脚分别与运算放大器20两个输入端相连，运算放大器20输出送入到含有数转换功能的DSP数字信号处理模块30中，含有数转换功能DSP数字信号处理模块30采集电压V1。温度传感器40紧贴在采样电阻R1上，温度传感器40的输出脚与含有数转换功能DSP数字信号处理模块30连接，含有数转换功能的DSP数字信号处理模块30获取采样电阻R1的温度T1。含有数转换功能的DSP数字信号处理模块3通过采样电阻R1的温度T1可以获取当前采样电阻R1的精确阻值，电流计算单元33根据采集的电压V1通过平移和放大得到采样电阻R1上的实际电压，该实际电压除以采样电阻R1的精确阻值，即获取了经过电阻R1的精确电流。

图4是图1所示基于电流检测和位置反馈结构的交流伺服驱动器的电流检测单元的实施例2的电路图。本实施例的电流检测单元采用磁场平衡式霍尔电流检测器(( LEM模块)，如图4所示，该LEM模块把互感器、磁放大器、霍尔元件和电子线路集成在一起，具有测量、反馈、保护3重功能。它的工作原理是:当外电路供给其电流时，将产生磁感应强度为B的磁场，垂直穿过霍尔元件，同时在信号电压输出端有霍尔效应电压U二线性输出。LEM模块使用方便，过载能力强，且整个传感器己模块化，套在被测母线上即可工作。其响应速度可以达到3 la S以内，响应速度快，是比较理想的电流检测方法。采集到的信号比较弱，不为微处理器所识别，因此作了放大处理（放大器），放大倍数为:

A=1+R3/R4  (1)

根据需要设定R3、R4的值，可得到理想的放大倍数。

图5是图1所示基于电流检测和位置反馈结构的交流伺服驱动器的电流检测单元的实施例3的电路图。本实施例的电流检测单元采用电流互感器。通过电流霍尔传感器及放大电路得到反映二相电流量的电压信号后，还需要设计模拟量前向滤波电路，其作用是通过滤波电路，滤掉模拟量在传输过程中产生的干扰信号，获取性能稳定的信号。现在广泛采用的是滤波效果较好的2阶低通滤波器。通入到电机中的电流最高频率为:

                                                  (2)

式中：P为电机极对数; n为电机最高转速。

一般需要将截n频率设定得略高于电机的工作频率，故设计2阶低通滤波电路的截止频率为:

  (3)

取合适的R5、R6、C3、C4值即可。要想得到理想的反馈信号，还要充分考虑到过流保护等措施。

    日前广泛用于交流伺服电机的速度和位置检测的方法是采用光电编码器来检测。按脉冲与对应位置（角度）的关系，光电编码器通常分为增量式光电编码器、绝对式光电编码器以及将上述两者结合为一体的混合式光电编码器3类。采用光电编码器从电机检测到的6路信号分别为: 检测转子空间绝对位置的句差120°的U、 V、 W脉冲信号，该组信号与电机对应的相的反电势同相位、同频率，脉宽为1800;用于检测转子旋转速度的两个频率变化且正交的A、B脉冲信号，其频率一般为电动机机械转速频率的几百甚至几千倍，相位相差1 /4脉冲周期; 每转一个周期的Z信号脉冲，该信号通常配置在U信号的上升沿处。

为了提高检测的精度，通常将A、B序列脉冲4倍频后送入相应的计数器，记数方向由A、B序列脉冲的相位差决定，这样通过微处理器定时读取该计数器的值即可计算电机转子位置、转速和转向。U、 V、 W脉冲信号经A /D转换送入微处理器以确定电机启动时的初始位置。

如图6所示，在本实施例中，所述位置反馈单元7包括编码器接口71、增量式编码器接口管理电72、绝对式编码器接口管理电路73、差分接收检测电路74，增量式编码器接口电路72通过差分接收检测电路74与可编程逻辑控制单元8（CPLD）相连接，绝对式编码器接口管理电路73通过差分接口芯片75与可编程逻辑控制单元8（CPLD）相连接，编码器接口外接编码器6，并通过可编程逻辑控制单元8（CPLD）的设置来选择位置反馈采用增量式编码器或者绝对式编码器。因此，位置反馈单元既适用增量式编码器，也适用十绝对式编码器或光栅尺等。伺服驱动器通过参数配置CPLD来选择位置反馈采用增量式编码器或者绝对式编码器，只能选择一种位置反馈元件。当位置反馈单元外接增量式编码器时，经过增量式编码器接口管理电路和差分信号检测电路，滤除差分信号中的高频干扰信号，然后对信号进行调理整形，转换为内部逻辑电平信号输入到CPLD中，进行计数和辨向处理；当位置反馈单元外接绝对式编码器时，信号经过绝对式编码器接口管理电路和RS485差分接口芯片输入到CPLD中进行计数和辨向处理，RS485差分接口芯片支持NRG通讯协议；采用半双工的通讯模式，最高时钟频率5MHz，其协议包括传感器模式和寄存器模式两部分的内容，协议的通讯模块均是基于CPLD设计。

综上所述，本发明的基于电流检测和位置反馈结构的交流伺服驱动器利用电流检测单元和位置反馈单元来实时检测和反馈电机的电流和位置信息，可对电机的速度和位置进行精确控制，从而提高工作性能，且响应快速、性能稳定、定位精准；另外，通过位置反馈单元可以兼容至少两种形式的位置反馈，克服了现有伺服控制系统中驱动器只能支持一种形式的编码器的缺点，其使用方便，成本也较低。

以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围。

Claims (2)

1.一种基于电流检测和位置反馈结构的交流伺服驱动器，其特征在于，包括交流电源、整流电路、功率逆变器、电机、电流检测单元、编码器、位置反馈单元、可编程逻辑控制单元、微处理器、PWM脉宽调制单元和光耦驱动单元，交流电源输出的电源通过整流电路整流后并通过功率逆变器进行变频变压转换成电机的工作电压；电流检测单元采集电机的工作电流信号并传输至微处理器; 编码器为增量式编码器和/或绝对式编码器，设置于电机的动力输出端以获取电机转子的位置信号并传输至位置反馈单元，且位置反馈单元根据可编程逻辑控制单元的设置来选择位置反馈采用增量式编码器或绝对式编码器，并将相应的位置信号通过可编程逻辑控制单元传输至微处理器；微处理器根据反馈的电流信号及位置信号计算电机转子的位置和当前速度，实现电流环/速度环/位置环的控制，并输出相应的PWM信号到PWM脉宽调制单元，然后通过光耦驱动单元送至功率逆变器以调制电机的工作电压；

所述电流检测单元利用电阻采样，具体包括依次连接的用于检测电机相电流的采样电阻（R1）、线性光耦合器（U1）、运算放大器（20）及DSP数字信号处理器（30），数字信号处理器（30）设有模数转换单元（31）,温度补偿单元（32）及与温度补偿单元（32）相连的电流计算单元（33）；采样电阻（R1）表面设有一温度传感器（40）,温度传感器（40）经模数转换单元（31）与数字信号处理器（30）的温度补偿单元（32）相连，温度补偿单元（32）接收温度信号补偿采样电阻（R1）电阻值以消除温度对采样电阻（R1）的阻值的影响；采样电阻（R1）的电压信息通过线性光耦合器（U1）、运算放大器（2）及模数转换单元（31）与电流计算单元（33）相连，电流计算单元（33）根据采样电阻（R1）的电压信息及补偿后的采样电阻（R1）值计算电机相电流；其中，采样电阻（R1）串接在伺服电机（4）的相线中，采样电阻（R1）与伺服电机（4）相连的一端与线性光耦合器（U1）的2号脚连接，其间设置了限流电阻（R2）；采样电阻（R1）的另一端则与线性光耦合器（U1）的3号脚相连；线性光耦合器（U1）的2号,3号脚之间设置有滤波电容（C2），线性光耦合器（U1）的6号,7号脚分别与运算放大器（20）两个输入端相连，运算放大器（20）输出送入到含有数转换功能的DSP数字信号处理模块（30）中，含有数转换功能DSP数字信号处理模块（30）采集电压（V1）；温度传感器（40）紧贴在采样电阻（R1）上，温度传感器（40）的输出脚与含有数转换功能DSP数字信号处理模块（30）连接，含有数转换功能的DSP数字信号处理模块（30）获取采样电阻（R1）的温度（T1）；含有数转换功能的DSP数字信号处理模块通过采样电阻（R1）的温度（T1）可以获取当前采样电阻R1的精确阻值，电流计算单元（33）根据采集的电压（V1）通过平移和放大得到采样电阻（R1）上的实际电压，该实际电压除以采样电阻（R1）的精确阻值，即获取了经过采样电阻（R1）的精确电流；

所述位置反馈单元包括编码器接口、增量式编码器接口管理电路、绝对式编码器接口管理电路、差分接收检测电路，增量式编码器接口电路通过差分接收检测电路与可编程逻辑控制单元相连接，绝对式编码器接口管理电路通过差分接口芯片与可编程逻辑控制单元相连接，编码器接口外接编码器，并通过可编程逻辑控制单元的设置来选择位置反馈采用增量式编码器或者绝对式编码器；当位置反馈单元外接增量式编码器时，经过增量式编码器接口管理电路和差分信号检测电路，滤除差分信号中的高频干扰信号，然后对信号进行调理整形，转换为内部逻辑电平信号输入到可编程逻辑控制单元中，进行计数和辨向处理；当位置反馈单元外接绝对式编码器时，信号经过绝对式编码器接口管理电路和RS485差分接口芯片输入到可编程逻辑控制单元中进行计数和辨向处理。

2.根据权利要求1所述的基于电流检测和位置反馈结构的交流伺服驱动器，其特征在于，微处理器包括电流信号接收单元、位置信号接收单元、电流环/速度环/位置环的控制电路和PWM信号输出单元，所述电流信号接收单元与电流检测单元连接以接收电流信号，所述位置信号接收单元与可编程逻辑控制单元连接以接收位置信号，所述电流环/速度环/位置环的控制电路根据所述电流信号和位置信号计算出电机转子的位置和当前速度，从而生成相应的PWM信号，并通过所述PWM信号输出单元发送给所述PWM脉宽调制单元。

3. 根据权利要求1所述的基于电流检测和位置反馈结构的交流伺服驱动器，其特征在于，所述微处理器的处理过程如下：

接收输入的电流信号和位置信号；

对所述电流信号进行极性判断，同时将所述位置信号转换成对应的速度信号；

将经过极性判断处理后获得的电流信号进行Park变换，然后进行PI调节，生成对应的电压信号；

根据速度信号和电流信号生成电压补偿信号；

将电压信号和电压补偿信号叠加生成对应PWM信号。

4．根据权利要求1所述的基于电流检测和位置反馈结构的交流伺服驱动器，其特征在于，所述电机为交流感应伺服电机。