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摘要：本文介紹了一個(gè)伺服控制器電流傳感器的選型和應(yīng)用方案，分析了傳感器的選型標(biāo)準(zhǔn)、應(yīng)用場(chǎng)合。并介紹了相應(yīng)的LEM 新型LTSR傳感器的類型和參數(shù)和外圍回路設(shè)計(jì)等，對(duì)其升級(jí)應(yīng)用進(jìn)行了闡述。最后根據(jù)分析給出了實(shí)測(cè)波形。
關(guān)鍵詞：電流傳感器 電壓傳感器 伺服控制器
引言
中國(guó)已成為了全球紡織品的出口大國(guó)，為了提高自身的競(jìng)爭(zhēng)力，國(guó)內(nèi)各紡織廠家在追求低成本的同時(shí)，越來越注重紡織品的質(zhì)量，而傳統(tǒng)的織布機(jī)都是基于機(jī)械傳動(dòng)式的，機(jī)械式傳動(dòng)機(jī)構(gòu)有以下幾個(gè)固有缺陷：具有不可避免的機(jī)械誤差、長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行后由于機(jī)械磨損加大誤差、缺乏斷電記憶功能。由于上述的這些固有缺陷使得機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的織布機(jī)無(wú)法織出高質(zhì)量的布匹。隨著電力電子技術(shù)和信號(hào)處理技術(shù)的不斷發(fā)展，基于電氣式、控制精度更高的伺服控制器在傳統(tǒng)紡織行業(yè)的應(yīng)用越來越廣泛，這為提高織布機(jī)能效，控制精度等提供了技術(shù)基礎(chǔ)。由于紡織行業(yè)的工作環(huán)境一般都比較惡劣，為了確保伺服控制器在高溫、高濕和高粉塵密度環(huán)境下可靠的工作，伺服控制器的保護(hù)和運(yùn)行狀態(tài)的實(shí)時(shí)檢測(cè)顯得尤為重要。因此對(duì)伺服控制器進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，對(duì)電流的監(jiān)測(cè)元件的選型成為了關(guān)鍵設(shè)計(jì)因數(shù)之一。以下介紹一個(gè)伺服控制器為保護(hù)和精確控制設(shè)置而選擇傳感器的方案，該方案已在本公司的一款新型紡織機(jī)專用伺服控制器中得到了成功的應(yīng)用。
PWM變頻器檢測(cè)點(diǎn)具體分析和設(shè)置
該伺服系統(tǒng)由650W永磁同步電機(jī)、1KW 伺服控制器和相應(yīng)的位置采樣編碼器組成。
永磁同步機(jī)具有控制精度高、響應(yīng)速度快等特性在伺服控制中得到了越來越廣泛的應(yīng)用。該系統(tǒng)采用磁場(chǎng)定向矢量控制方案，其控制的關(guān)鍵點(diǎn)為電機(jī)的相電流，因此對(duì)相電流進(jìn)行精確采樣對(duì)系統(tǒng)的性能有著至關(guān)重要的影響。圖一為該伺服控制器功率主回路系統(tǒng)框圖：
圖一 伺服控制器主回路系統(tǒng)框圖
為了保護(hù)電容器，系統(tǒng)需要檢測(cè)直流測(cè)母線電壓值，當(dāng)電壓出現(xiàn)異常時(shí)能夠通知控制系統(tǒng)關(guān)閉逆變器以檢查問題。根據(jù)控制程序和控制電路的設(shè)定，直流母線電壓被控制在一定的范圍之內(nèi)。當(dāng)電動(dòng)機(jī)處于電動(dòng)狀態(tài)時(shí)，電壓會(huì)降低；而當(dāng)電動(dòng)機(jī)處于再生狀態(tài)時(shí)，直流母線電壓將上升。如果直流母線電壓達(dá)到某一限定值，控制電路將IGBT-DB開通，將電能釋放到再生電阻上，如果再生電阻的上消耗的功率能夠滿足設(shè)計(jì)要求，此時(shí)直流母線電壓將回落，回落至一定的電壓后控制電路將IGBT-DB關(guān)閉。同時(shí)系統(tǒng)需要檢測(cè)輸入伺服電機(jī)的電流用于電機(jī)磁場(chǎng)定向矢量控制和在發(fā)生電機(jī)過載時(shí)根據(jù)程序設(shè)定關(guān)斷IPM。由于通常情況下電機(jī)中心點(diǎn)浮動(dòng)，三相電流平衡，電機(jī)電流檢測(cè)只需要檢測(cè)兩相，另一相電流由計(jì)算得出。
因此在該系統(tǒng)中需要兩個(gè)高精度的電流傳感器檢測(cè)A、B和C三相電流中的任意兩相。傳感器給出的電流值送入電機(jī)閉環(huán)控制系統(tǒng)，用來檢測(cè)當(dāng)前電機(jī)的運(yùn)行狀況，同時(shí)控制系統(tǒng)根據(jù)該電流值對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行修正，以更好的控制電機(jī)。這兩個(gè)傳感器在安裝位置上可以遠(yuǎn)離IGBT等發(fā)熱量較大的部件。這樣我們可以對(duì)該傳感器提出以下要求：
（1）高精度，高速度
要精確控制電動(dòng)機(jī)，電流的反饋信號(hào)應(yīng)該足夠準(zhǔn)確，速度也應(yīng)該足夠快，至少能讓控制系統(tǒng)采樣時(shí)能夠得到足夠的采樣信號(hào)。
（2）低溫度漂移
紡織廠工作環(huán)境溫度較高，最高環(huán)境溫度有時(shí)會(huì)在50℃以上，同時(shí)電流傳感器又安裝在封閉的自然冷卻控制箱內(nèi)，因此工作環(huán)境溫度更高。
（3）高線性度
為了保證電機(jī)力矩控制的精度，傳感器在正常電流范圍內(nèi)必須有良好的線性度
（4）滿足紡織機(jī)振動(dòng)環(huán)境的要求
根據(jù)上述要求和正常運(yùn)行時(shí)相電流的實(shí)際大小，并且考慮電機(jī)啟動(dòng)或發(fā)生異常時(shí)出現(xiàn)大電流時(shí)可以正常檢測(cè)而不至于傳感器飽和。我們選擇了LEM公司的新型LSTR6電流傳感器，該傳感器是基于ASIC技術(shù)的閉環(huán)電流傳感器，和開環(huán)傳感器相比有精度高、響應(yīng)時(shí)間短、溫度漂移低，線性度好等優(yōu)點(diǎn)。與前代LTS系列相比，在-40 ℃～85℃溫度范圍內(nèi)溫漂由100ppm/ ℃降低為37.5ppm/ ℃，使得控制環(huán)的穩(wěn)定性得到了提高。該傳感器采用＋5V單端供電，可共用系統(tǒng)＋5V電源，簡(jiǎn)化了電源設(shè)計(jì)，具有100Khz的寬廣頻帶范圍，響應(yīng)時(shí)間低于400ns， 25℃時(shí)的誤差為±0.2%，最大測(cè)量范圍可到19.2A，具有多種原邊電路連接方式，可有效提高低電流時(shí)的測(cè)量精度，具有REF端的輸入、輸出兩種工作模式，可以方便的更改正、負(fù)電流測(cè)量范圍。
圖二給出了傳感器環(huán)路的原理圖，采用5V單一供電，REF端通過一301K電阻接地，原邊電流輸入方式采用串聯(lián)方式，可以使得小電流時(shí)精度提高2倍。在此要注意，REF在不采用電壓偏移校正時(shí)不能懸空，而是必須采用一220K以上的電阻接地，如要校正正、負(fù)電流測(cè)量范圍。REF端可輸入1.9~2.7V電壓。
圖二、傳感器Schematic圖
同時(shí)為了降低兩傳感器相互之間的干擾，在PCB上兩傳感器應(yīng)垂直安裝，如圖三。
圖三、傳感器實(shí)物PCB圖
圖四為后續(xù)處理電路的簡(jiǎn)化框圖。
圖四、后續(xù)處理電路簡(jiǎn)圖
圖五為實(shí)測(cè)實(shí)驗(yàn)波形圖。
圖五、實(shí)測(cè)波形圖
本方案選用了LEM公司的新型電流傳感器產(chǎn)品。該公司在傳感器行業(yè)遙遙領(lǐng)先，幾乎處于一個(gè)半壟斷的地位。LEM公司為全世界傳感器市場(chǎng)提供了各種各樣的傳感器，被廣泛應(yīng)用于汽車電子、UPS、SMPS、傳動(dòng)和運(yùn)動(dòng)控制等領(lǐng)域，相比其他傳感器公司的產(chǎn)品有技術(shù)領(lǐng)先成本低廉種類多樣等優(yōu)勢(shì)，這是我們?cè)诒痉桨钢羞x擇LEM傳感器的原因。目前該產(chǎn)品在經(jīng)過廠家試用和內(nèi)部測(cè)試后已投產(chǎn)。電流傳感器安裝位置的現(xiàn)場(chǎng)工作溫度0 ℃～50℃，
濕度為85％，振動(dòng)為10Hz,0.8mm(p-p)，在這些條件下傳感器均能穩(wěn)定工作。同時(shí)在內(nèi)部60℃，95％濕度，振動(dòng)為55Hz,1.55mm(p-p)，條件下滿載運(yùn)行傳感器同樣工作良好，為系統(tǒng)可靠而良好運(yùn)行提供了快速準(zhǔn)確電流采樣信息。
參考文獻(xiàn)
[1] 《LTSR：基于ASIC技術(shù)的閉環(huán)電流傳感器》 北京萊姆電子有限公司
作者簡(jiǎn)介
顧斌，上海御能動(dòng)力科技有限公司伺服產(chǎn)品經(jīng)理，從事伺服控制系統(tǒng)的開發(fā)。通信方式：上海御能動(dòng)力科技有限公司伺服項(xiàng)目部 郵編200120 電話(021)58821113-333。Email: gub@kinwaytech.com.cn
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