伺服控制系統中高精度電流采樣的設計

　　引言

　　伺服技術是跟蹤與定位控制技術，是機電一體化技術的重要組成部分，它廣泛地應用于數控機床、工業機器人等自動化裝備中。隨著現代工業生產規模的不斷擴大，各個行業對電伺服系統的需求日益增大，并對其性能提出了更高的要求。因此研究、制造高性能、高可靠性的伺服驅動系統是工業先進國家竟相努力的目標，有著十分重要的現實意義。

　　目前數字伺服驅動器基本被日本、歐美等國家壟斷。我國每年需要從國外進口大量的此類設備用于CNC數控機床等行業，進口驅動器價格高，維修服務不便。我國具有自主知識產權的全數字式伺服驅動器于20世紀90年代開始規模化生產制造。華中數控HSV系列全數字交流伺服電機驅動單元具有良好的性能。我公司自主開發的全數字交流伺服系統調速比為1:5000。

　　伺服控制系統硬件設計

　　數字伺服系統主要由五部分組成：永磁同步電動機，電源模塊，驅動與逆變電路模塊，速度與位置檢測電路模塊以及控制電路模塊。控制電路模塊包括核心控制芯片,人機界面和通訊模塊四部分;驅動與逆變電路模塊包括逆變器主電路，電壓/電流采樣電路，過壓/欠壓保護、上電限流保護與制動電路等，伺服的核心控制芯片采用TI公司最新的電機專用控制芯片TMS320F2812。

　　以TMS320F2812 DSP為控制核心(見圖1)，接收來自CNC、編碼器接口、電流檢測模塊和故障信號處理模塊的信息，完成對永磁同步電機控制和故障處理。光電隔離模塊作為電子電路與功率主電路的接口，將DSP發出的SVPWM信號經送入IPM模塊，完成DC/AC逆變，驅動電動機旋轉。編碼器接口將絕對式編碼器所記錄的永磁同步電動機的磁極位置、電動機轉向和編碼器報警等信息送往DSP，同時將永磁同步電動機的位置信息送往CNC。電機相電流經電流檢測模塊量測、濾波、幅度變換、零位偏移、限幅，轉化為0~3V的電壓信號送入DSP的A/D引腳。功率主電路的過壓、欠壓、短路、電源掉電和IPM故障等信號經故障檢測模塊檢測與處理后，送入DSP的I/O端口。鍵盤與顯示模塊是控制器的人機接口，用以完成控制參數的輸入，運行狀態與運行參數顯示。存儲器模塊用以存儲控制參數與系統故障信息。

　　逆變電路使用的是三菱公司的IPM模塊，該智能功率模塊采用第5 代IGBT 工藝，內置優化后的柵級驅動和保護電路，以超小型體積，輸出功率強勁的三相波形。它具有以下突出性能：完整的功率輸出電路，直接連接負載;內置柵極驅動電路;短路保護;驅動電壓欠壓保護;采用第五代低功耗IGBT 管芯;超小型體積，僅重65 克。