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永磁直线同步电机电流检测系统设计 |
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作者：陈幼平 张颖 艾武 梁超宇 |
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摘 要： 直线驱动系统由于机械结构简单而获得广泛应用。本文提出一种基于磁场平衡式霍尔电流传感器的永磁直线同步电机的电流检测系统及其实现方案。分析了电流检测系统的基本原理、电流信号的处理以及电流的过流保护的功能，实验结果验证了电流检测系统的有效性。
关键词：永磁同步直线电机;霍尔电流传感器;过流保护
1. 前言
高速加工、微细加工是机械制造及科学研究的重要发展方向，这要求进给系统具有较大的驱动力、较高的频响以及较高的运动精度和位移刚度。永磁直线同步电机（PMLSM）具有推力大、损耗低、电气时间常数小、响应速度快、功率因数高、控制参数可测、以及控制性能好等特点，与其他高速精密进给系统相比，PMLSM进给系统具有较大的优越性。因此，PMLSM在提升系统、电子制造业及高速精密数控系统中有开阔的应用前景，受到众多学者的关注和研究[1]。
本文中的永磁同步直线电机控制系统采用三环控制策略即对位置环、速度环和电流环分别进行控制。直线电机位置伺服控制系统如图1所示。其中，位置环和速度环为外环，电流环为伺服系统的内环。在伺服控制系统的三个控制环中电流环位于最内环，也是最重要的环节，因为在直线电机矢量控制系统中，高性能的推力控制是通过电流控制器得到的，电流环性能的好坏将直接影响外环及整个系统的性能。因此研究永磁同步直线电机的电流检测系统具有重要意义。
图1 永磁直线同步电机控制系统框图
2. 基于磁场平衡式霍尔电流传感器的电流检测技术
永磁直线电机的电流检测是通过电流传感器模块完成的，由于交流直线电动机在额定工作状况下，工作电流较大，约为5A左右，因此在对电流信号进行检测时，对电流传感器要求有两点：一是产生正比于被测电流的信号，要求电流传感器具有较高的精度、较快的响应时间和较好的工作稳定性，以达到实时控制的目的;二是为了防止主电路与控制电路的相互干扰，必须使主电路与控制电路相隔离。
因此，本系统的电流检测采用CSN系列磁场平衡式电流传感器作为电流检测元件[2]-[4]，其特点是应用霍尔效应闭环补偿。具有出色的精度，良好的线性度，低温飘，优秀的反应时间，频带范围宽，频率范围可达 ，抗干扰能力强。利用电-磁-电转换原理来构成，将互感器、磁放大器、霍尔元件和电子线路集成在一起，具有较强的抗干扰能力，且动态响应较快，极易适合电机绕组电流的检测，工作原理如图2所示。
图2 霍尔电流传感器工作原理
图2中有一个用软磁材料制成的带有缝隙的聚磁环，缝隙中放了一片霍尔元件。霍尔元件中通有一个固定的电流Ic，聚磁环中穿过一根导线，其中流过待测电流Ip。Ip在聚磁环及其缝隙中产生磁场，磁感应强度为B。于是霍尔元件产生霍尔电位差VH。
式中 —K霍尔系数。
VH经放大器A放大，获得一个补偿电流Is。Is流过绕在聚磁环上的多匝线圈，VH产生的磁势和待测电流产生的磁势方向相反，因此产生补偿作用，使磁场减小，随着减小。由于铁芯中的磁感应强度极低, 不会使磁芯饱和, 也不会产生大的磁滞损耗和涡流损耗。由于放大器的放大倍数很大 ，因此：
3. 电流信号处理
由于霍尔传感器的输出为电流信号Is，为了将电流信号送模/数（A/D）转换器进行转换，将霍尔传感器的输出通过已知阻值的测量电阻Rm，其两端电压降Vm与电流信号Is成正比，电流信号就线性转换为电压信号Vm，即可经模/数转换后送入计算机。
图3 电流检测信号的处理电路
在本系统中，ADC模块电流模拟输入信号处理电路如图3所示。其中,Iu为霍尔传感器对直线电机三相交流电检测后输出的电流信号之一。LF353N为一放大器集成芯片，在X201A处作为电压跟随器使用，其作用是改善采样电流输出信号;而在X201B处作为反相器使用。通过调节电位器R203的有效阻值，可以保证电流信号Iu在可预测的幅值范围内变化时，处理电路输出的信号CH1A在±5V的电压范围内，以满足模/数转换器对输入模拟电压信号的要求。
对转换后的电压信号的采集是电流检测的重要组成部分。DSP芯片TMS320LF2407A带有内置采样和保持电路的10位模/数转换器，但只能接收0V-3.3V的单极性信号，同时由于系统对电流检测精度要求较高，所以采用Maxim公司的14位MAX125型转换器作为信号采集单元的核心。MAX125的八路输入通道均有±17V的输入故障保护电路，采样电压的范围是-5V～+5V,非常适合基于DSP的直线电机电流数据检测系统应用。
在本系统中，霍尔传感器检测到的两相电流信号Iu、Iv通过处理电路转换为电压信号CH1A、CH2A后，再送MAX125芯片进行模/数转换。由于直线电机绕组采用星形连接，根据电机学原理：
在检测出Iu、Iv后，可通过计算求出Iw。因此在硬件设计时只需对三相交流电中的任意两相进行检测、数/模转换，以降低硬件成本。
4. 电流的过流与保护
直线电机起动时的电流非常大或因控制回路、驱动电路等误动作，造成输出电路短路等故障，导致过大的电流流过电机驱动系统中的绝缘三双极型功率管（IGBT），都会使流过IGBT的电流超出其额定电流而将其烧毁。因此需要有快速检测出过大电流的电路，在IGBT承受过大电流时，采取合理的过流保护措施，及时将其关断，使其免遭损坏。
利用电流霍尔传感器检测母线电流，当产生过流信号时，将信号传给DSP控制系统，引起 （功率驱动保护中断输入）中断，关断控制信号波形发生。
过流过压故障检测电路如图4所示。图中电容C起滤波的作用，电位器VR给出参考电压，调节VR可以改变使保护电路动作的电源电压值。Iu1和Iw1经比较器比较后，其输出信号经光耦后送到逻辑芯片 ,与其他过压（三相交流电压）检测信号逻辑之后产生信号SPDPING，送到DSP的 ，去封锁DSP的PWM口。所有PWM输出管脚全部为高阻状态，同时向DSP内核发出一个中断请求，通知CPU有异常情况发生。
图4 过流保护检测电路
5. 实验结果
作为控制对象的三相交流永磁同步直线电机的参数如表1所示。表1 永磁同步直线电机的参数
 在整个永磁同步直线电机控制系统中，电流环的采样周期为0.1ms，速度环的采样周期为0.5ms，位置环的采样周期为1ms。实验结果表明采用了本文的电流检测系统后，永磁同步直线电机系统的控制性能的超调量小，调节速度快，在存在干扰的情况下可以实现对推力电流的精确控制。
6. 结论
在永磁同步直线电机的闭环控制系统中，高性能的推力控制是通过电流控制器得到的，电流环性能的好坏将直接影响整个控制系统的性能，因此本文提出了一种基于磁场平衡式的霍尔电流传感器的电流检测、处理以及过流保护系统。实验表明，采用该电流检测系统的永磁同步直线电机能够对推力电流进行精确的控制，从而获得较高的控制精度。
创新点：提出了一种基于磁场平衡式的霍尔电流传感器的电流检测、处理以及过流保护系统，在此基础上永磁同步直线电机能够实现对推力电流进行精确的控制。
参考文献
[1] 徐月同，傅建中，陈子辰，永磁直线同步电机推力波动及实验研究。中国电机工程学报，2005，25（12）：122-125
[2] 李亮，阙沛文，陈亮.新型霍尔传感器在电流检测中的应用.仪表技术与传感器，2005 （4），3～5.
[3] 卢光华，磁补偿霍尔传感器在电力电子方面的应用研究，仪表技术，2003 （9），46～47.
[4] 邓重一，利用霍尔传感器设计直流电流检测电路，微计算机信息，2003 （8）, 61～62(end)
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(2/6/2009) |
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