伺服系统三种电流采集方案比较
伺服电机控制系统中电流采样的三种方案比较
伺服电机控制系统中电流采样三种方案的比较罗映, 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 motorYing Luo, Chao Wan(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 sampling1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。
伺服电机的三种控制方式有哪些
伺服电机是在伺服系统中控制机械元件运转的发动机，是一种补助马达间接变速装置。
在不同场景下，伺服电机的控制方式各有不同，在进行选择之前你需要先了解伺服电机是三种控制方式各有其特点，下面小编就给大家介绍一下伺服电机的三种控制方式。
伺服电机控制方式有脉冲、模拟量和通讯控制这三种1、伺服电机脉冲控制方式在一些小型单机设备，选用脉冲控制实现电机的定位，应该是最常见的应用方式，这种控制方式简单，易于理解。
基本的控制思路：脉冲总量确定电机位移，脉冲频率确定电机速度。
都是脉冲控制，但是实现方式并不一样：第一种，驱动器接收两路(A、B路)高速脉冲，通过两路脉冲的相位差，确定电机的旋转方向。
如上图中，如果B相比A相快90度，为正转；那么B相比A相慢90度，则为反转。
运行时，这种控制的两相脉冲为交替状，因此我们也叫这样的控制方式为差分控制。
具有差分的特点，那也说明了这种控制方式，控制脉冲具有更高的抗干扰能力，在一些干扰较强的应用场景，优先选用这种方式。
但是这种方式一个电机轴需要占用两路高速脉冲端口，对高速脉冲口紧张的情况，比较尴尬。
第二种，驱动器依然接收两路高速脉冲，但是两路高速脉冲并不同时存在，一路脉冲处于输出状态时，另一路必须处于无效状态。
选用这种控制方式时，一定要确保在同一时刻只有一路脉冲的输出。
两路脉冲，一路输出为正方向运行，另一路为负方向运行。
和上面的情况一样，这种方式也是一个电机轴需要占用两路高速脉冲端口。
第三种，只需要给驱动器一路脉冲信号，电机正反向运行由一路方向IO信号确定。
这种控制方式控制更加简单，高速脉冲口资源占用也最少。
在一般的小型系统中，可以优先选用这种方式。
2、伺服电机模拟量控制方式在需要使用伺服电机实现速度控制的应用场景，我们可以选用模拟量来实现电机的速度控制，模拟量的值决定了电机的运行速度。
模拟量有两种方式可以选择，电流或电压。
电压方式，只需要在控制信号端加入一定大小的电压即可。
实现简单，在有些场景使用一个电位器即可实现控制。
伺服系统的数据采集与分析
伺服系统的数据采集与分析随着制造业的不断发展和进步，伺服系统在工业控制领域的应用越来越广泛。
作为一个用于实现精密控制的系统，伺服系统的数据采集与分析是一项十分重要的工作。
本文将从数据采集与分析两个方面来探讨伺服系统的数据处理技术。
一、数据采集数据采集是数据处理的第一步，它是指将来自于伺服系统各个部分的数据集中收集起来，形成可供后续处理和分析的数据。
在伺服系统中，一般采用传感器来采集控制对象的状态数据，采样频率根据伺服系统的应用而定。
通常采样频率越高，对伺服系统的控制响应越及时，对于一些需要高精度控制的应用场景，可以采用高频率的数据采集，来提高系统的稳定性和控制精度。
伺服系统的数据采集主要包括模拟信号采集和数字信号采集两种方式。
其中，模拟信号采集是指将传感器输出的模拟信号转换成数字信号，并采集到控制系统中，一般采用模数转换器来实现。
数字信号采集是指直接采集传感器输出的数字信号，这种方式可以提高采集效率，但对于信号的采集精度要求相对要高。
另外，在伺服系统的控制过程中，一些非状态量数据的采集也是必要的。
例如温度、湿度等环境参数，不同于传感器采集的状态量数据，这些参数的采集通常需要使用专门的仪器和设备，例如温度传感器、湿度传感器等，也可以采用无线传感器网络来进行远程监测。
二、数据分析数据采集完成后，就需要对采集到的数据进行分析，得到更加有用的信息。
数据分析在伺服系统中有着重要的作用，它可以帮助掌握系统的运行状态，预测出可能出现的故障，从而及时地采取措施，保证系统的正常运行。
伺服系统的数据分析主要包括实时分析和离线分析两种方式。
实时分析是指将实时采集到的数据进行处理分析，得到对实时控制存在帮助的信息，例如系统的偏差、响应时间、张力等。
离线分析则是将采集到的数据保存下来作为历史数据，进行后续的分析处理，例如统计分析、数据挖掘等。
在数据分析的过程中，处理方法多种多样。
对于某些特殊的应用场景，也会需要开发定制化的算法，以保证数据的高效分析。
伺服系统中的数据采集与分析
伺服系统中的数据采集与分析随着工业自动化的不断发展，伺服系统在机器人、数控机床、工业生产线等领域得到了广泛的应用。
伺服系统作为一种具有闭环控制结构的智能控制系统，其精度和稳定性对于自动化生产起到至关重要的作用。
而在伺服系统中，数据采集与分析则是保证伺服系统良好运行的基础。
一、伺服系统常用的数据采集方式1. 模拟量采集模拟量采集是指将被测量的物理量转化为模拟信号，并通过采集电路将其转化为数值信号。
目前伺服系统中采用比较多的是电压信号和电流信号的采集方式，通过模拟量采集器等设备将这些信号采集到计算机中进行处理。
2. 数字量采集数字量采集是指将物理量直接转化为数字信号进行采集和处理。
在数字量采集过程中，同时还可以通过数字量的采集器获取设备的状态信息，实现对于设备的状态监测和故障诊断。
二、伺服系统中的数据分析数据分析是对采集到的信号数据进行处理和分析，以获得对伺服系统运行状态更为深入的了解和认识。
常见的数据分析方式有以下几种：1. 时域分析时域分析是指对信号在时间上的变化进行分析。
通过分析伺服系统内信号的振幅、时延和波形等特征，可以判断系统的稳定性和输出质量是否合格。
2. 频域分析频域分析是指对信号在频率上的变化进行分析。
通过对伺服系统内信号的频谱、幅频特性、相角等特征进行分析，可以获得系统的频率响应性能和灵敏度等参数信息，为系统的性能优化提供帮助。
3. 统计分析统计分析是指通过对数据的分布、方差等特征进行分析和处理，进一步掌握伺服系统内信号的规律性和可靠性。
这一分析方法可以通过MATLAB等计算机程序完成，依据分析结果做出相应评估和决策。
三、物联网技术在伺服系统中的应用随着物联网技术的不断发展，伺服系统在数据采集和分析方面也出现了新的技术突破。
基于物联网技术，可以实现伺服系统的智能化和自动化，其优点包括：1. 数据采集效率高物联网技术可以将伺服系统内各个部件采集到的信息进行集中处理和管理，降低了数据采集的复杂度和难度，提高了采集效率和准确度。
伺服电机控制系统中电流采样的三种方案比较
伺服电机控制系统中电流采样三种方案的比较罗映, 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 motorYing Luo, Chao Wan(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 sampling1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。
伺服驱动器中电流采样电路的设计
伺服驱动器中电流采样电路的设计引言现如今，交流伺服电机因为其优良的性能，已经在工业生产中占据了举足轻重的地位，而伺服驱动器作为伺服电机的控制系统，其本身的优劣将直接影响到驱动电机的使用性能。
在伺服驱动控制系统中，为实现磁场定向控制，需要至少对两相电机绕组的电流进行采样，这两路电流采样将作为电流反馈信号使伺服驱动实现电流闭环，可以这样说，电流信号采样是伺服控制系统硬件的一个重要模块，也是一大难点。
常规电流采样电路设计如今，大多数伺服驱动使用采样电阻和线性光耦搭建的一路电流采样电路，如图1所示。
其中，rsense是功率型采样电阻，mc34081为运算放大器，78l05为三端稳压电源。
hcpl-7840为线性光耦，其2,3引脚为信号输入端，6,7引脚为信号输出端，在输入端输出端供电电压均为5v的情况下，当2,3引脚输入的差值电压变化时，6,7引脚的输出信号将随着输入信号分别进行递增和递减的线性变化。
由图1所示可知，当伺服电机正常工作时，将采集通过绕组的电流信号转变为采集采样电阻两端电压值，并将该电压值通过线性光耦进行隔离放大，再经过运算放大器，a/d转换送给dsp进行数据分析，进而实现电流环闭环控制。
在实际实验过程中，由于伺服电机等外界条件干扰，dsp所接收到的电流采样信号会有相对较大程度的干扰，故必须在电路中增加相应的滤波措施。
新型电流采样电路设计采用采样电阻和线性光耦搭建的采样电路均为模拟电路，很容易受到外界的干扰，在电路调试过程中，滤除杂波尤为繁琐。
为使得电流采样信号更精确，使电流环闭环效果更好，我们又设计了一种采用高压线性电流传感器ir2175来实现电流采样的方案，并做对比实验。
芯片概述ir2175是ir公司专为交流或直流无刷电机的驱动应用而设计的高压线性电流传感器，它内置电流检测和保护电路，可通过串联在绕组回路的采样电阻来进行电流采样，并且该芯片能自动。
伺服电机控制系统中电流采样三种方案的比较
伺服电机控制系统中电流采样三种方案的比较清晨的阳光透过窗帘的缝隙，洒在了我的工作台上。
我泡了杯咖啡，打开电脑，准备写下这篇关于伺服电机控制系统中电流采样的比较方案。
这个过程就像是在品味一杯苦涩的咖啡，苦中带点甜，而每种方案都有其独特的味道。
我们来看看模拟采样方案。
这个方案就像是一个老派的绅士，稳重而可靠。
它通过模拟电路将电流信号转换成电压信号，然后通过A/D转换器将模拟信号转换为数字信号。
这种方式的优势在于电路简单，容易实现，而且成本较低。
但它的缺点也相当明显，就像老派绅士的固执，它对环境的要求较高，抗干扰能力较弱，容易受到温度、湿度等外界因素的影响。
第二种方案是数字采样方案。
这个方案就像一个年轻的科技达人，充满活力，追求创新。
它直接通过数字电路对电流信号进行采样，然后通过数字信号处理器进行处理。
这种方式的优势在于抗干扰能力强，精度高，而且可以实现更复杂的控制算法。
但它的缺点也很明显，就像科技达人的热情有时候会让人感到疲惫，它的成本较高，实现起来相对复杂。
我们来看看混合采样方案。
这个方案就像一个调和者，它结合了模拟采样和数字采样的优点，既具有模拟采样的简单易实现，又具有数字采样的抗干扰能力强、精度高。
它先将电流信号通过模拟电路进行初步处理，然后通过A/D转换器将模拟信号转换为数字信号，再通过数字信号处理器进行处理。
这种方式的优势在于综合性能较好，适应性强。
现在，我们来具体比较一下这三种方案。
是模拟采样方案。
它的优点在于成本低，实现简单，但抗干扰能力较差。
在实际应用中，如果环境较为恶劣，这个方案可能不太适用。
想象一下，在嘈杂的工厂环境中，电流信号就像是一首被噪声干扰的歌曲，模拟采样方案就像是一个听力不佳的老人，很难准确捕捉到歌曲的旋律。
是数字采样方案。
它的优点在于抗干扰能力强，精度高，但成本较高。
在实际应用中，如果对控制精度和稳定性要求较高，这个方案是不错的选择。
就像一个专业的音乐制作人，他能够准确捕捉到音乐的每一个细节，制作出高品质的音乐作品。
(完整word版)伺服控制的三种模式
伺服控制的三种模式一般伺服都有三种控制方式:速度控制方式,转矩控制方式,位置控制方式，速度控制和转矩控制都是用模拟量来控制的.位置控制是通过发脉冲来控制的.具体采用什么控制方式要根据客户的要求,满足何种运动功能来选择. 如果您对电机的速度、位置都没有要求，只要输出一个恒转矩，当然是用转矩模式。
如果对位置和速度有一定的精度要求，而对实时转矩不是很关心，用转矩模式不太方便，用速度或位置模式比较好。
如果上位控制器有比较好的闭环控制功能，用速度控制效果会好一点。
如果本身要求不是很高，或者，基本没有实时性的要求，用位置控制方式对上位控制器没有很高的要求。
就伺服驱动器的响应速度来看，转矩模式运算量最小，驱动器对控制信号的响应最快；位置模式运算量最大，驱动器对控制信号的响应最慢。
对运动中的动态性能有比较高的要求时，需要实时对电机进行调整。
那么如果控制器本身的运算速度很慢（比如PLC，或低端运动控制器），就用位置方式控制。
如果控制器运算速度比较快，可以用速度方式，把位置环从驱动器移到控制器上，减少驱动器的工作量，提高效率（比如大部分中高端运动控制器）；如果有更好的上位控制器，还可以用转矩方式控制，把速度环也从驱动器上移开，这一般只是高端专用控制器才能这么干，而且，这时完全不需要使用伺服电机。
一般说驱动器控制的好不好，每个厂家的都说自己做的最好，但是现在有个比较直观的比较方式，叫响应带宽。
当转矩控制或者速度控制时，通过脉冲发生器给他一个方波信号，使电机不断的正转、反转，不断的调高频率，示波器上显示的是个扫频信号，当包络线的顶点到达最高值的70.7%时，表示已经失步，此时的频率的高低，就能显示出谁的产品牛了，一般的电流环能作到1000Hz 以上，而速度环只能作到几十赫兹。
换一种比较专业的说法：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、首先电流环：电流环的输入是速度环PID调节后的那个输出，我们称为“电流环给定”吧，然后呢就是电流环的这个给定和“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。
伺服控制的三种模式
伺服控制的三种模式一般伺服都有三种控制方式:速度控制方式,转矩控制方式,位置控制方式，速度控制和转矩控制都是用模拟量来控制的.位置控制是通过发脉冲来控制的.具体采用什么控制方式要根据客户的要求,满足何种运动功能来选择. 如果您对电机的速度、位置都没有要求，只要输出一个恒转矩，当然是用转矩模式。
如果对位置和速度有一定的精度要求，而对实时转矩不是很关心，用转矩模式不太方便，用速度或位置模式比较好。
如果上位控制器有比较好的闭环控制功能，用速度控制效果会好一点。
如果本身要求不是很高，或者，基本没有实时性的要求，用位置控制方式对上位控制器没有很高的要求。
就伺服驱动器的响应速度来看，转矩模式运算量最小，驱动器对控制信号的响应最快；位置模式运算量最大，驱动器对控制信号的响应最慢。
对运动中的动态性能有比较高的要求时，需要实时对电机进行调整。
那么如果控制器本身的运算速度很慢（比如PLC，或低端运动控制器），就用位置方式控制。
如果控制器运算速度比较快，可以用速度方式，把位置环从驱动器移到控制器上，减少驱动器的工作量，提高效率（比如大部分中高端运动控制器）；如果有更好的上位控制器，还可以用转矩方式控制，把速度环也从驱动器上移开，这一般只是高端专用控制器才能这么干，而且，这时完全不需要使用伺服电机。
一般说驱动器控制的好不好，每个厂家的都说自己做的最好，但是现在有个比较直观的比较方式，叫响应带宽。
当转矩控制或者速度控制时，通过脉冲发生器给他一个方波信号，使电机不断的正转、反转，不断的调高频率，示波器上显示的是个扫频信号，当包络线的顶点到达最高值的70.7%时，表示已经失步，此时的频率的高低，就能显示出谁的产品牛了，一般的电流环能作到1000Hz 以上，而速度环只能作到几十赫兹。
换一种比较专业的说法：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、首先电流环：电流环的输入是速度环PID调节后的那个输出，我们称为“电流环给定”吧，然后呢就是电流环的这个给定和“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。
伺服电机控制系统中电流采样的三种方案比较
伺服电机控制系统中电流采样的三种方案比较在伺服电机控制系统中，电流采样是非常重要的一步，用于实时监测电机的工作状态，控制电机的输出。
电流采样的质量直接影响到系统的性能和稳定性。
目前常见的电流采样方案有三种，包括传统模拟采样、模拟数字转换器（ADC）采样和数字信号处理（DSP）采样。
下面将对这三种方案进行详细的比较。
1.传统模拟采样传统模拟采样是最早采用的一种电流采样方案，它利用模拟乘法器来实现电流采样。
该方案的优点是成本低、设计简单，对系统的性能要求相对较低。
然而，由于模拟电路本身的误差和干扰的影响，传统模拟采样的精度相对较低，容易受到环境温度、电压波动等因素的影响，导致系统的稳定性和可靠性较差。
2.模拟数字转换器（ADC）采样模拟数字转换器（ADC）采样是一种利用ADC器件将模拟电流信号转换为数字信号进行采样的方案。
该方案的优点是采样精度高、抗干扰性强，可以实现高速、高精度的电流采样，可以满足多种应用的需求。
此外，ADC器件的性能不断提高，价格也逐渐下降，使得ADC采样方案在伺服电机控制系统中得到了广泛应用。
然而，ADC采样方案的缺点是需要消耗大量的系统资源，包括I/O接口、内存和处理器等，同时需要花费较长的时间进行转换和处理，导致系统的响应速度较慢。
3.数字信号处理（DSP）采样数字信号处理（DSP）采样是一种利用数字信号处理器对电流信号进行采样和处理的方案。
该方案的优点是可以实现高速、高精度的电流采样和处理，响应速度快，抗干扰性强。
与ADC采样方案相比，DSP采样方案充分利用了数字信号处理器的优势，可以灵活地进行算法优化和实时控制。
同时，DSP采样方案可以将伺服电机控制系统与其他数字控制系统进行无缝集成，提高系统的整体性能和可靠性。
然而，DSP采样方案的缺点是需要较高的技术和硬件资源，成本较高。
此外，DSP器件的性能和稳定性也对系统的性能有一定影响。
综上所述，这三种电流采样方案各有优劣，适用于不同的应用场景。
伺服驱动器中电流采样电路的设计
伺服驱动器中电流采样电路的设计引言现如今，交流伺服电机因为其优良的性能，已经在工业生产中占据了举足轻重的地位，而伺服驱动器作为伺服电机的控制系统，其本身的优劣将直接影响到驱动电机的使用性能。
在伺服驱动控制系统中，为实现磁场定向控制，需要至少对两相电机绕组的电流进行采样，这两路电流采样将作为电流反馈信号使伺服驱动实现电流闭环，可以这样说，电流信号采样是伺服控制系统硬件的一个重要模块，也是一大难点。
常规电流采样电路设计如今，大多数伺服驱动使用采样电阻和线性光耦搭建的一路电流采样电路，如图1所示。
其中，rsense是功率型采样电阻，mc34081为运算放大器，78l05为三端稳压电源。
hcpl-7840为线性光耦，其2,3引脚为信号输入端，6,7引脚为信号输出端，在输入端输出端供电电压均为5v的情况下，当2,3引脚输入的差值电压变化时，6,7引脚的输出信号将随着输入信号分别进行递增和递减的线性变化。
由图1所示可知，当伺服电机正常工作时，将采集通过绕组的电流信号转变为采集采样电阻两端电压值，并将该电压值通过线性光耦进行隔离放大，再经过运算放大器，a/d转换送给dsp进行数据分析，进而实现电流环闭环控制。
在实际实验过程中，由于伺服电机等外界条件干扰，dsp所接收到的电流采样信号会有相对较大程度的干扰，故必须在电路中增加相应的滤波措施。
新型电流采样电路设计采用采样电阻和线性光耦搭建的采样电路均为模拟电路，很容易受到外界的干扰，在电路调试过程中，滤除杂波尤为繁琐。
为使得电流采样信号更精确，使电流环闭环效果更好，我们又设计了一种采用高压线性电流传感器ir2175来实现电流采样的方案，并做对比实验。
芯片概述ir2175是ir公司专为交流或直流无刷电机的驱动应用而设计的高压线性电流传感器，它内置电流检测和保护电路，可通过串联在绕组回路的采样电阻来进行电流采样，并且该芯片能自动将输入的模拟信号转换成数字pwm 信号并可以直接送于处理器进行数据处理[2]。
伺服控制系统电流及速度环自动参数辨识分析
伺服控制系统电流及速度环自动参数辨识分析张秘;尹显明;钟伦超;刘洋;尹君【摘要】比例积分(PI)控制器通过误差信号控制被控量,控制器本身就是比例、积分两个环节的和,其结构和算法都相对简单,因此在工程实际中得到广泛应用.然而,传统PI控制器参数基本上都是手动调节,针对不同控制对象不能有效快速识别,从而导致参数难以调节、效率低下等问题.传统PI控制使系统的动态性能降低,在高精度的伺服控制中不能满足系统性能要求.因此,在伺服控制领域需要寻求一种新的控制策略,以改善系统动态性能,满足外部环境的变化,提高系统动态性能.提出了一种基于扫频的电流及速度环自动参数辨识策略.采用自适应控制策略建立电机控制参数.通过这种方式,可以方便调试任何电机,使系统具有很好的动态性能.仿真和试验结果表明,提出的电流及速度环自动参数辨识方法能达到很好的位置伺服效果,自动辨识的参数使得整个系统具有更好的动态稳定性.【期刊名称】《自动化仪表》【年(卷),期】2019(040)003【总页数】5页(P37-40,45)【关键词】扫频;电流环;速度环;参数辨识;动态稳定性;自适应【作者】张秘;尹显明;钟伦超;刘洋;尹君【作者单位】西南科技大学科学与制造工程学院,四川绵阳 621000;西南科技大学工程技术中心,四川绵阳 621000;清华大学深圳研究生院,广东深圳 518000;清华大学深圳研究生院,广东深圳 518000;清华大学深圳研究生院,广东深圳 518000【正文语种】中文【中图分类】TH70 引言电机电流环调制策略主要分为正弦脉宽调制(sinusoidal pulse width modulation,SPWM)[1-2] 和空间矢量脉宽调制(space vector pulse width modulation ,SVPWM)[3-6]。
空间矢量脉宽调制是近年来发展起来的一种电机控制策略，其原理是利用各桥臂功率开关控制的不同组合，使驱动器的输出磁链无限逼近基准磁链圆。
高性能永磁交流伺服系统高精度电流采样实现
流数据的波形显示 。研究结果表 明 ， 该方法能实 现交 流伺 服系统高精度 电流采样 。 关键词 ： 永磁交流伺服系统 ； 电流采样 ； Ａ Ｄ ７ ６ ５ ５ ； 复杂可编程逻辑 器件 ； Ｖ Ｈ Ｄ Ｌ语言
中图分类号 ： Ｔ Ｐ ２ ７： Ｔ Ｈ ３ ９ 文献标 志码 ： Ａ 文章编 号 ： １ ０ ０ １— ４ ５ ５ １ （ ２ ０ １ ３ ） ０ ７— ０ ８ ４ ７— ０ ５
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伺服电机控制系统中电流采样三种方案的比较
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。
电流采集方案
电流采集方案引言随着现代电子设备的不断发展和普及，电流采集成为了电路设计及能量管理中的重要环节。
准确监测电流的大小和变化情况，有助于确保电路的稳定性和效率，同时也对能量消耗进行实时监控和管理。
本文将介绍一种常用的电流采集方案，旨在提供一个可靠、精确的电流监测解决方案。
一、电流采集原理电流采集原理是指通过感知电路，将电流的变化转换为电压信号，并进行放大和处理，最终得到与电流大小成比例的电压输出。
常见的电流采集原理包括电阻法、电流互感器法和霍尔效应法等。
1. 电阻法电阻法是最简单且常用的电流采集原理。
其基本原理是将一个电流感知电阻（如电流互感器法）接入电路中，并通过测量感知电阻两端的电压，计算得到电流的大小。
为了确保精确度和稳定性，感知电阻应具有较小的温度系数和较高的精度。
2. 电流互感器法电流互感器法是一种无接触测量电流的方法，利用电流互感器感应传导电流的磁场。
电流互感器由一个或多个线圈组成，当被测电流通过互感器的一侧线圈产生磁场时，另一侧的线圈将感应到电动势，并通过放大电路得到与电流成比例的电压信号。
3. 霍尔效应法霍尔效应法是利用半导体材料的霍尔效应实现电流测量。
当电流通过一个垂直于电流方向的磁场时，垂直于电流和磁场的方向就会产生电动势，通过霍尔元件测量电动势并放大得到与电流成比例的电压信号。
二、电流采集方案的实施步骤1. 确定电流采集需求在选择电流采集方案之前，首先需要明确电流采集的具体需求。
包括测量的电流范围、精度要求、实时性要求以及工作环境等因素。
2. 选择合适的电流传感器根据电流采集需求，选择合适的电流传感器。
根据电流范围来选择传感器的量程，根据精度要求来选择传感器的精度等级。
此外，还需要考虑传感器的输出类型，如模拟输出或数字输出。
3. 设计并搭建采集电路根据选择的电流传感器，设计并搭建相应的电流采集电路。
电流传感器通常需要与放大电路相结合，以放大和处理获得的原始信号。
放大电路可以采用运算放大器或专用的电流测量芯片。
伺服驱动器中电流采样电路设计
伺服驱动器中电流采样电路设计在伺服驱动控制系统中，为实现磁场定向控制，需要至少对两相电机绕组的电流进行采样，这两路电流采样将作为电流反馈信号使伺服驱动实现电流闭环，可以这样说，电流信号采样是伺服控制系统硬件的一个重要模块，也是一大难点。
常规电流采样电路设计如今，大多数伺服驱动使用采样电阻和线性光耦搭建的一路电流采样电路，如图1所示。
其中，rsense是功率型采样电阻，mc34081为运算放大器，78l05为三端稳压电源。
hcpl-7840为线性光耦，其2,3引脚为信号输入端，6,7引脚为信号输出端，在输入端输出端供电电压均为5v的情况下，当2,3引脚输入的差值电压变化时，6,7引脚的输出信号将随着输入信号分别进行递增和递减的线性变化。
由图1所示可知，当伺服电机正常工作时，将采集通过绕组的电流信号转变为采集采样电阻两端电压值，并将该电压值通过线性光耦进行隔离放大，再经过运算放大器，a/d转换送给dsp进行数据分析，进而实现电流环闭环控制。
在实际实验过程中，由于伺服电机等外界条件干扰，dsp所接收到的电流采样信号会有相对较大程度的干扰，故必须在电路中增加相应的滤波措施。
新型电流采样电路设计采用采样电阻和线性光耦搭建的采样电路均为模拟电路，很容易受到外界的干扰，在电路调试过程中，滤除杂波尤为繁琐。
为使得电流采样信号更精确，使电流环闭环效果更好，我们又设计了一种采用高压线性电流传感器ir2175来实现电流采样的方案，并做对比实验。
芯片概述ir2175是ir公司专为交流或直流无刷电机的驱动应用而设计的高压线性电流传感器，它内置电流检测和保护电路，可通过串联在绕组回路的采样电阻来进行电流采样，并且该芯片能自动将输入的模拟信号转换成数字pwm信号并可以直接送于处理器进行数据处理[2]。
电路设计如图2电路图可知，r2和r3为采样电阻，q1～q6为igbt，d2～d4和d6～d7为快恢复二极管。
ir2175芯片的vcc为供电引脚，接+15v。
伺服系统
伺服的三种控制方式一般伺服都有三种控制方式:速度控制方式,转矩控制方式,位置控制方式 .1、转矩控制：转矩控制方式是通过外部模拟量的输入或直接的地址的赋值来设定电机轴对外的输出转矩的大小，具体表现为例如10V对应5Nm的话，当外部模拟量设定为5V时电机轴输出为2.5Nm:如果电机轴负载低于2.5Nm时电机正转，外部负载等于2.5Nm时电机不转，大于2.5Nm时电机反转（通常在有重力负载情况下产生）。
可以通过即时的改变模拟量的设定来改变设定的力矩大小，也可通过通讯方式改变对应的地址的数值来实现。
应用主要在对材质的受力有严格要求的缠绕和放卷的装置中，例如饶线装置或拉光纤设备，转矩的设定要根据缠绕的半径的变化随时更改以确保材质的受力不会随着缠绕半径的变化而改变。
2、位置控制：位置控制模式一般是通过外部输入的脉冲的频率来确定转动速度的大小，通过脉冲的个数来确定转动的角度，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。
3、速度模式：通过模拟量的输入或脉冲的频率都可以进行转动速度的控制，在有上位控制装置的外环PID控制时速度模式也可以进行定位，但必须把电机的位置信号或直接负载的位置信号给上位反馈以做运算用。
位置模式也支持直接负载外环检测位置信号，此时的电机轴端的编码器只检测电机转速，位置信号就由直接的最终负载端的检测装置来提供了，这样的优点在于可以减少中间传动过程中的误差，增加整个系统的定位精度。
4、谈谈3环，伺服电机一般为三个环控制，所谓三环就是3个闭环负反馈PID调节系统。
最内的PID环就是电流环，此环完全在伺服驱动器内部进行，通过霍尔装置检测驱动器给电机的各相的输出电流，负反馈给电流的设定进行PID调节，从而达到输出电流尽量接近等于设定电流，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。
第2环是速度环，通过检测的电机编码器的信号来进行负反馈PID调节，它的环内PID 输出直接就是电流环的设定，所以速度环控制时就包含了速度环和电流环，换句话说任何模式都必须使用电流环，电流环是控制的根本，在速度和位置控制的同时系统实际也在进行电流（转矩）的控制以达到对速度和位置的相应控制。
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。
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伺服系统三种电流采集方案比较摘 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 norma l 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 s upply 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 sampling1 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， D SP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DS P；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，反相放大器的输入阻抗很高，R2的影响可以忽略，反相端通过可调电阻输入的参考电压为2V，设定电机的最大启动电流为 20A，当I = 20A时，对应的ADC输入为3V；当I = －20A时，对应的 ADC输入为0V；I = 0时，ADC的输入为1.5V，将具有正负极性的电流反馈信号转换为单极信号送入D SP。
图23.3.2 电流采样实验数据表1中的数据为电流检测电路的实验数据，从表中数据可知相对误差均小于 1％，说明采用LEM霍尔传感器检测电流具有较高的准确度。
表1实际采样电流值(A) 实际采样电压值(V) 运放的输出电压值(V)3 2.577 1.5762 2.549 1.5491 2.526 1.5270 2.501 1.500-1 2.475 1.474-2 2.451 1.451-3 2.424 1.4253.2 利用采样电阻结合A/D转换隔离调制芯片采样电流3.2.2 7860以及接口芯片0872介绍[5]HCPL-7860/0872是Agilent公司的两款用于隔离A/D转换的IC，其典型应用电路如图3所示，其中HC PL-7860为隔离调制器部分，HCPL-0872为数字接口部分,它们一起组合成一套隔离可编程双芯片A/D转换器。
HCPL-7860/0872组成的可编程A/D转换器具有12位的线性度，转换时间为800nS，可提供5种转换模式，输入电压范围为-200mV～+200mV，单5V电源供给，HCPL-7860内部分为转换编码模块和译码模块，转换编码模块包含一个式过采样A/D转换器，它将输入的低带宽模拟电压信号转化为一位高速串行数据流，该高速数据流和采样时钟的编码后通过隔离带传输至译码模块，译码模块接收到数据解码后，将数据转换成分离的高速时钟和数据通道，再由HCPL-0872进行下一步处理。
HCPL-0872将输入的串行数据流转化为15位的字输出，它支持SPI、QSPI及MICROWIRE三种同步串行接口协议，可与微控制器直接连接，HCPL-0872可支持5种不同的转换模式，3种不同的预触发模式，偏移校准，快速超范围侦测，以及可调的门限侦测等功能，这些可编程特性通过串行配置端口配置，另外，HC PL-0872还支持多路复用，因此可输入两路数字信号进行处理。
图4示意了一个完整的转换周期时序图，一个转换周期在转换开始信号CS的下降沿开始，CS在整个转换周期保持为低电平，当CS变为低电平后，串行数据输出线SDAT从高阻态变为低电平，指示转换正在进行，转换完成后，SDAT信号的上升沿指示数据准备同步输出，输出数据在串行时钟脉冲SCLK信号的下降沿被同步，并且高位数据(MSB)首先发送，总共需要16个脉冲进行数据同步，在最后一个时钟脉冲后，CS再一次变成高电平，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。
3.2.3 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786 0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S PI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HCP L7840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MC 34081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。