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
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。
电动机保护三采样算法
电动机保护三采样算法三采样算法主要为了提高电动机保护装置动作的迅速性和准确性。
由上文的仿真模型分析结果可知，当电流互感器处于饱和状态时，电流发生畸变的几率非常大，对电动机保护非常不利，若利用传统的傅里叶算法对时间的浪费比较严重，且傅里叶算法对二次侧电流故障的反应不够准确，会造成电动机保护装置的误动。
而三采样算法只需采三个点就可以进行计算，缩短了计算时间，对电动机的保护比较迅速。
图e、图f对傅里叶算法和三采样算法进行比较。
图e 傅里叶算法示意图图f 三采样算法示意图由以上两图可知，三采样算法比较节约时间，测算速度是傅里叶算法的8倍左右，发生误差的可能性也比较小。
准确性比较高，在电动机保护中应该被重视和推广。
三采样算法对提高电动机保护的迅速性和准确性方面有一定的优势，但是三采样法不具有滤波的能力。
如果采样耗费时间较多，那么三采样算法就会失去原有的优势，稳定性比傅里叶算法差。
如果在三洋算法中加入自适应调节机制算法程序（如图g所示），自适应调节机制算法程序可以根据不同情况选择不同的保护计算程序，对提高电动机保护的可靠性有明显的作用。
图g 自适应调节机制作用示意图（一）加气混凝土砌块。
这种材料可以作为建筑墙体的一种材料，而且是一种节能材料。
质量比较轻、操作简便、保温性能好，因此在民用建筑中的应用比较广泛。
（二）陶粒自保温砌块。
这是一种新型的、质量好、重量轻的外墙自保温材料。
它的规格和样式都比较多，目前技术非常成熟，性能优良、保温效果好；同时其适应性也比加气混凝土砌块强，可以满足工业、居民建筑的各种需求。
（三）泡沫混凝土砌块。
该种材料的制备即先用建筑专用发泡剂与水混合充分搅拌让其形成较多气泡，最后与水泥浆混合形成的低密度的保温材料。
其优点质地轻盈、保温性能好、强度高等[2]。
外墙自保温技术的砌块示意图，如图1。
图1 外墙自保温技术砌块构造示意图。
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。
伺服驱动器中电流采样电路设
伺服驱动器中电流采样电路设
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。
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]。
伺服电机的控制方法【精华】
伺服电机控制方式有脉冲、模拟量和通讯控制这三种，在不同的应用场景下，该如何确定选择伺服电机控制方式？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。
选用了脉冲来实现伺服电机的控制，翻开伺服电机的使用手册，一般会有如下这样的表格：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。
但选用电压作为控制信号，在环境复杂的场景，电压容易被干扰，造成控制不稳定；电流方式，需要对应的电流输出模块。
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。
电机控制系统中的相电流检测与数据处理
电机控制系统中的相电流检测与数据处理打开文本图片集摘要：电流检测是现代电机控制技术中的重要环节。
在工程上，电机电流的检测不仅要满足测量精度要求，还要考虑低成本、体积等实际问题。
文章在对各种电流检测方法进行对比分析的基础上，采用三个采样电阻实现了电流检测。
电流采样数据通过通信接口传送到个人电脑，并用MATLAB进行数据分析，进而得到对于实际采样数据的处理方法与有关参数，最终得到了可以用于电机控制的电流信号。
关键词：电机控制；相电流采样；数据通信；MATLAB数据处理1概述现代电机控制系统中广泛采用矢量控制技术，而电机的相电流检测则是矢量控制的基础[1]。
在工程应用中，电流检测既要满足精度要求，还要考虑体积、成本等一系列实际问题。
常见的电流检测方法有以下几种：（1）使用电流互感器。
但电流互感器存在体积大，成本高等缺点，而且一般适用于检测大电流。
（2）使用霍尔电流传感器。
这种传感器使用方法简单，而且可以做到高精度检测和快速响应。
但由于其价格昂贵，会大大增加生产成本。
张兰红通过在电机逆变器下桥臂串接电流传感器ACS712的方法对电机相电流进行了检测，该设计检测电流简单可靠、精度高。
但由于ACS712价格较高，增加了生产成本[1]。
（3）电阻采样。
其基本原理就是在需要测电流的电路中串联一个小电阻，通过检测该电阻的压降，从而计算出实际电流的大小。
这种方法成本低而且可以检测较小的电流，适用于电机相电流检测[2]。
其缺点是采样电路与电机主电路不隔离，另外对采样电阻的精度要求很高，需要采用专门的采样电阻。
叶维民使用双电阻相电流采样的方法来进行电机电流采样，并提供了相应的滤波算法，这种方法精度高、实时性好。
但由于只测两相电流，第三相通过计算所得，由于电路不完全对称，第三相电流通过计算所得会存在误差[2]。
本文通过三电阻采样，消除了电路不对称对第三相电流的影响。
无论采用哪种电流检测方法，采样得到的电机电流都存在一定的误差[3]。
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。
这样设计电机电流采集电路，再也不用担心干扰问题了
这样设计电机电流采集电路，再也不用担心干扰问题了本文导读电机相电流的采样对于FOC控制来说是不可或缺的，在设计电机控制电路时，为了能够准确的采样到电机绕组中的电流值，需要提高电流采集的抗干扰能力。
那么如何保证我们的设计是合理的，小编带大家探讨下电机电流采集电路的三个基本要素。
01引言由于电机的宽范围调速以及高速特性，加上电机自身不能获得理想的正弦气隙磁场，导致在系统控制时采样的相电流含有不规则的高次谐波和随机干扰，再加上电流采样电路的不稳定性和A/D转换单元偏差的存在，更是加大了实际采样到的电流误差。
众所周知，电流的采样对电机矢量控制是非常重要的。
电流采样方式主要有3种。
表1.1 电流采样方式对于大部分电机应用，采用双电阻相电流采样的方法具有一定的优势，所以小编这里重点和大家探讨下双电阻方式下，如何提高相电流采样的抗干扰能力。
02抗干扰设计1、采样电阻采样电阻是基本的电阻元器件，同时其参数的选择对采样精确度也是重要的影响因素。
电机控制器对电机的其中两相电流通过采样电阻进行采样，如图1所示，从采样电阻上获取的电压信号经过电压偏置和放大，输入到微处理器的A/D单元，从而得到其中两相电流，再根据基尔霍夫定律，三相电流矢量和为0，推算出第三相的电流的值。
图1 双电阻采样对于320V供电空调压缩机，电机内阻0.2Ω，如果采样电阻合适，则对回路没有什么影响。
如果采样电阻的阻值过大，会引起电压的损耗，使能量效率变低，较大的阻值会使负载电压发生偏移，产生电磁干扰，产生系统对噪声敏感的问题。
当确定好阻值后还需要考虑电阻的稳定性能和阻值误差。
2、运放设计在电机的电路设计过程中需着重考虑运放电路的设计，下面为相电流采样电路的设计说明。
本文中采用的是ON公司的NCV20034汽车级运放芯片，拥有高达7MHz的增益带宽，集成4路独立运放于一身。
运放芯片本身对共模干扰有抵抗作用，而在差模干扰的抵抗作用稍弱，所以设计的时候要着重提高差分线上的差模抗干扰能力。
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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。
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DSP 。
图2 3.3.2 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13.2利用采样电阻结合A/D转换隔离调制芯片采样电流3.2.27860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HCPL-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，HCPL-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，SDA T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。
图3 图43.2.3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。
图53.2.4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。
图6 0872输出的CS、SDA T和SCLK信号波形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3.3.17840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。
图7 HCPL-7840隔离原理图3.3.2电流采样电路设计电流采样电路如图8所示，Rsense为3mΩ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。
图83.3.3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。